韓春光,劉玉飛,,孔文曉,王方方,張 凱,劉 渝
(1.貴州凱科特材料有限公司,貴州 貴陽 550014;2.貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,貴州 貴陽 550025;3.國家復(fù)合改性聚合物材料工程技術(shù)研究中心,貴州 貴陽 550014)
1954年,意大利Natta 首次合成了聚丙烯(PP)。自1957年蒙特卡迪尼公司實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)以來,PP已經(jīng)成為產(chǎn)量大和用途廣的合成樹脂之一[1]。它具有相對密度低、耐蝕性好、電絕緣性優(yōu)良、熱變形溫度高等優(yōu)點[2]。PP 作為一種典型的半結(jié)晶型聚合物[3],其結(jié)晶形態(tài)、結(jié)晶度、結(jié)晶速率和晶粒尺寸等影響其加工過程和使用性能[4]。
PP結(jié)晶可以在等溫和非等溫條件下進行,所以其結(jié)晶動力學(xué)的研究也分為等溫及非等溫結(jié)晶兩大類。其結(jié)晶過程是在加工成型中結(jié)構(gòu)演變的主要過程之一,是決定最終聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和制品性能的關(guān)鍵因素。對于PP 的等溫結(jié)晶,采用Avrami方程[5-7]、Lauritzen-Hoffman 理論[8-9]等分析其結(jié)晶速率、結(jié)晶度、結(jié)晶速率常數(shù)、Avrami指數(shù)、結(jié)晶溫度、結(jié)晶活化能等。對于PP 的非等溫結(jié)晶,采用Jeziorny法[10]、Ozawa法[11]和莫志深法[12]等分析其結(jié)晶度、升溫或降溫速率、結(jié)晶速率常數(shù)等。深入研究PP的結(jié)晶動力學(xué)理論對PP材料的表征和生產(chǎn)工藝過程的制定具有重要的指導(dǎo)意義。
對PP復(fù)合材料的等溫結(jié)晶動力學(xué)的理論研究已趨成熟。絕大多數(shù)處理非等溫結(jié)晶動力學(xué)的方法或理論模型是在等溫結(jié)晶動力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展演變而來的。研究材料組成及復(fù)合方法(熔融復(fù)合、熔融插層、直接共混等)對其結(jié)晶性能(結(jié)晶速率、結(jié)晶度等)以及晶體結(jié)構(gòu)等的影響,將對聚丙烯基復(fù)合材料的發(fā)展都具有重大作用。
SiO2、CaCO3等無機粒子能夠改變PP的結(jié)晶活化能、結(jié)晶溫度、結(jié)晶速率、結(jié)晶度等,使材料的生產(chǎn)成本降低,性能更好。
容敏智等[13]應(yīng)用差示掃描量熱方法研究了納米SiO2及其表面接枝改性對PP的結(jié)晶過程、等溫結(jié)晶動力學(xué)的影響,并研究了上述等溫結(jié)晶的熔融行為和平衡熔點。研究發(fā)現(xiàn):納米SiO2具有明顯的異相成核效應(yīng),能夠提高PP 的結(jié)晶溫度、熔融溫度、結(jié)晶度和結(jié)晶速率等,但降低了PP 結(jié)晶的完善程度。
Lonkar S P等[14]研究了納米復(fù)合材料中復(fù)合氫氧化物(LDH)納米層對PP結(jié)晶行為的影響,并應(yīng)用差示掃描量熱法、偏振光學(xué)顯微鏡法(POM)和廣角X 射線衍射法研究了LDH/PP納米復(fù)合材料的等溫結(jié)晶與熔化反應(yīng)。研究結(jié)果表明:納米LDH 提高異相成核速率,加快PP 的結(jié)晶。Avrami方程成功地描述了LDH/PP 納米復(fù)合材料的等溫結(jié)晶動力學(xué)和PP 晶體生長中的異相成核。用Avrami指數(shù)n 與PP,LDH/PP 納米復(fù)合材料的半結(jié)晶時間(t1/2)描述整體結(jié)晶行為。POM 觀察結(jié)果表明:由于PP 鏈和納米LDH 的分子間作用,所以納米復(fù)合材料中形成較小且較少的晶體。
林志丹等[15]制備了CaCO3/PP 納米復(fù)合材料,應(yīng)用DSC 研究了納米CaCO3對PP 等溫結(jié)晶行為的影響,并用Avrami方程分析了CaCO3/PP納米復(fù)合材料的結(jié)晶動力學(xué)。研究結(jié)果表明:納米CaCO3對PP有異相成核作用。隨納米CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,結(jié)晶速率提高;隨結(jié)晶溫度的提高,結(jié)晶時間延長。Avrami指數(shù)n為2.0~2.6。納米CaCO3的加入對PP的成核與生長機制影響不大。
利用石墨改性高分子也能使材料的結(jié)晶速率、結(jié)晶度等結(jié)晶性能發(fā)生改變。Ferreira C I等[16]應(yīng)用差示掃描量熱法研究了熔融復(fù)合制備的剝離型石墨/PP復(fù)合材料的結(jié)晶行為,用電子顯微鏡觀察剝離型石墨對PP 基體的改性。利用等溫與非等溫實驗評估剝離型石墨對PP 從熔融到結(jié)晶的影響。剝離型石墨的加入改變了PP 非等溫結(jié)晶行為,提高了結(jié)晶溫度、結(jié)晶速率及結(jié)晶度。在等溫條件下運用Avrami方程分析了剝離型石墨/PP復(fù)合材料的結(jié)晶動力學(xué)。結(jié)果表明:石墨可以作為成核劑促進PP成核,優(yōu)化PP的晶體結(jié)構(gòu)。
楊旭宇等[17]采用差示掃描量熱法研究了石墨烯(RGO)/PP復(fù)合材料的等溫結(jié)晶行為。結(jié)果表明:對于純PP 和RGO/PP 復(fù)合材料,結(jié)晶溫度的提高將導(dǎo)致結(jié)晶速率變慢,絕對結(jié)晶度提高;PP和RGO/PP復(fù)合材料的等溫結(jié)晶在相當(dāng)大的范圍內(nèi)符合Avrami方程。與純PP 相比,RGO/PP 復(fù)合材料的結(jié)晶速率增加,而結(jié)晶活化能減小。這意味著RGO 對PP 起到了外加成核劑的作用,促進了PP的結(jié)晶。
以有機磷酸鹽、山梨醇等粒子作為成核劑改性PP,不僅能為PP結(jié)晶提供晶核,而且明顯改變PP的結(jié)晶溫度、結(jié)晶速率、球晶形態(tài)等,更便于生產(chǎn)和使用。
Xu T 等[18]應(yīng)用差示掃描量熱法研究了層狀金屬膦酸酯(PPZn)對等規(guī)聚丙烯(iPP)結(jié)晶行為的影響。結(jié)顯表明:PPZn對iPP 有良好的成核作用。當(dāng)PPZn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時,復(fù)合材料的成核效率為32%。與純iPP相比,在134 ℃、PPZn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時,復(fù)合材料的半結(jié)晶時間從19.42min減少到1.87min。利用Avrami方程進一步研究其等溫結(jié)晶過程中的參數(shù)。與純iPP相比,阿夫拉米指數(shù)表明PPZn的添加不會改變其基體的結(jié)晶機制。通過偏振光學(xué)顯微鏡和廣角X射線衍射儀的檢測,PPZn的添加顯著增加了iPP的晶核密度,但對其晶體結(jié)構(gòu)沒有明顯影響。
梁明霞等[19]使用超細(xì)橡膠粒子與有機磷酸鹽成核劑復(fù)配制備了一種新型復(fù)合成核劑。應(yīng)用差示掃描量熱法比較了復(fù)合成核劑改性PP 和有機磷酸鹽成核劑改性PP 的結(jié)晶溫度、等溫結(jié)晶行為及等溫結(jié)晶動力學(xué)。研究結(jié)果表明:當(dāng)成核劑用量較小時,可明顯提高PP的結(jié)晶速率和力學(xué)性能。
山梨醇類成核劑對PP 透明度的改進效果比有機磷酸鹽類成核劑的好,價格更便宜[20]。盧翠紅等[21]采用差示掃描量熱法研究了成核劑二-(3,4-二甲基芐叉)山梨醇(DMDBS)改性PP的等溫結(jié)晶動力學(xué)。結(jié)果表明:DMDBS的加入可大幅度縮短PP 的半結(jié)晶時間,加快PP 的結(jié)晶速率。在等溫條件下,DMDBS的加入對PP 的結(jié)晶方式影響不大,但可顯著降低PP 球晶生長的單位面積折疊表面自由能,從而明顯加快成核速率。
張躍飛等[22]研究了成核劑DMDBS對iPP 結(jié)晶行為的影響。結(jié)果表明:DMDBS可以大幅度提高PP的結(jié)晶峰溫度,具有很好的成核性能。與純PP相比,當(dāng)DMDBS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時,結(jié)晶峰溫度從119 ℃提高到130 ℃。DMDBS 的加入也可大幅度降低PP的球晶尺寸。
為了改善高聚物的性能,往往采取幾種單體共聚或者不同高聚物共混等方法,使得產(chǎn)物兼有幾種均聚物的優(yōu)點。聚合物共混物可以消除和彌補單一聚合物性能上的弱點,取長補短,得到綜合性能優(yōu)良的理想聚合物材料。另外,使用少量某一聚合物可以作為另一聚合物的改性劑,改性效果明顯,同時可以改善聚合物的加工性能,制備一系列具有嶄新性能的聚合物材料。
Svoboda P等[23]分別用電子顯微鏡法、光學(xué)顯微鏡法和差示掃描量熱法研究了PP/乙烯-辛烯共聚物復(fù)合材料(EOC),并研究了辛烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為28%,37%和52%的復(fù)合材料的相形態(tài)和晶化。對于一個給定的辛烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù),研究了EOC的相對分子質(zhì)量對其形態(tài)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大的粒子是含EOC-28的復(fù)合材料;最小的是含EOC-52的復(fù)合材料。用光學(xué)顯微鏡法和差示掃描量熱法都測出含最小粒子的復(fù)合材料結(jié)晶最快。這是一種典型的結(jié)晶行為:PP 能夠在大粒子附近形成一個很大的片晶,使整體晶體生長速率減慢;而對于較小的粒子,其障礙較小,結(jié)晶較快。
韓吉彬等[24]分別采用直接共混法制備超細(xì)全硫化丁腈橡膠顆粒(UFNBR)/PP 熱塑性硫化膠,反應(yīng)增容共混法制備UFNBR/PP 熱塑性硫化膠、動態(tài)硫化丁腈橡膠(NBR)/PP 熱塑性硫化膠和NBR/端氨基液體丁腈橡膠(ATBN)/PP/馬來酸酐接枝聚丙烯(MP)熱塑性硫化膠。通過差示掃描量熱法表征了3種熱塑性硫化膠的等溫結(jié)晶行為,并利用X 射線衍射法研究了3種熱塑性硫化膠中PP的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:NBR 均對PP 的結(jié)晶起到成核劑的作用,加快了PP 的結(jié)晶速率。在3種熱塑性硫化膠中,NBR/ATBN/PP/MP 的結(jié)晶速率最快;熱塑性硫化膠的等溫結(jié)晶行為可以用Avrami方程表征;3種熱塑性硫化膠未改變PP的晶型,仍為單斜晶系的α-PP晶型結(jié)構(gòu)。
王春瑋等[25]研究了三元乙丙橡膠(EPDM)/PP共混物和動態(tài)硫化EPDM/PP熱塑性硫化膠的等溫結(jié)晶行為及形態(tài)結(jié)構(gòu),并用Avrami方程對其進行等溫結(jié)晶動力學(xué)分析。結(jié)果表明:EPDM/PP共混物和EPDM/PP 熱塑性硫化膠的等溫結(jié)晶行為均符合Avrami方程;在相同的結(jié)晶溫度下,熱塑性硫化膠的Avrami指數(shù)比共混物的小,半結(jié)晶時間短,結(jié)晶速率常數(shù)大;EPDM/PP 共混物為雙連續(xù)相結(jié)構(gòu),而EPDM/PP熱塑性硫化膠是以硫化的細(xì)小橡膠顆粒為分散相、PP為連續(xù)相的“海-島”結(jié)構(gòu),橡膠顆粒的尺寸約為0.5μm。
結(jié)晶動力學(xué)研究的目的是為高分子加工過程提供理論依據(jù);而高分子材料擠出、注射、模壓、吹塑等成型過程常常在動態(tài)與非等溫條件下進行的。因此,定量地研究其非等溫結(jié)晶動力學(xué)過程對選擇合適的加工成型條件,制備性能良好的高分子材料或制品具有十分重要的意義。
研究PP復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶動力學(xué),其實際應(yīng)用價值較大。采用差示掃描量熱儀等儀器對材料檢測研究,以及用Jeziorny法、Ozawa法、莫志深法等分析得到材料的一些結(jié)晶參數(shù),從而用于復(fù)合材料的性能研究。
Hao W 等[26]研究了氮化硅(Si3N4)/PP 納米復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶動力學(xué),應(yīng)用Avrami方程、Ozawa法和莫志深法分析了Si3N4/PP 納米復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶行為;探究了Si3N4納米微粒對PP基體的成核活性。當(dāng)Si3N4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時,其成核能力最強。非等溫結(jié)晶活化能隨相對結(jié)晶度及Si3N4填充物的存在而變化。
周紅軍等[27]采用溶液法制備了納米三氧化二鏑(Dy2O3)/PP復(fù)合材料,并用差示掃描量熱法研究了Dy2O3/PP納米復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶行為;采用Caze法和莫志深法分析其結(jié)晶動力學(xué);研究了納米微粒的成核效率和成核活性。結(jié)果表明:納米Dy2O3提高了PP的結(jié)晶峰溫度和結(jié)晶速率,使結(jié)晶活化能增大。當(dāng)Dy2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時,納米微粒的成核效率最高;Dy2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時,納米微粒的成核活性最低。
石文建等[28]采用差示掃描量熱法研究了PP及赤泥/PP復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶動力學(xué),并應(yīng)用Avrami方程、Jeziorny 法及莫志深法處理所得的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明:赤泥的加入提高了PP的結(jié)晶溫度和結(jié)晶速率,PP的結(jié)晶活化能降低;赤泥成核活性高于改性的赤泥。在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,經(jīng)鈦酸酯偶聯(lián)劑改性的赤泥使PP 結(jié)晶溫度升高,結(jié)晶活化能與赤泥/PP復(fù)合材料相比有小幅的提高。赤泥具有異相成核作用,經(jīng)表面改性的赤泥異相成核效果下降。
松香類成核劑是一種新型PP 成核劑,無毒、無味、分散性好,可以使PP晶粒細(xì)微化,提高結(jié)晶溫度,縮短加工周期,增加透明度。田瑤珠等[29]采用差示掃描量熱法研究了PP 和松香類成核劑成核PP 在不同的降溫速率下的非等溫結(jié)晶動力學(xué)。采用修正的Avrami方程對差示掃描量熱法的測試結(jié)果分析。結(jié)果表明:松香類成核劑能顯著提高PP 的結(jié)晶溫度。加入松香類成核劑和分散劑后,PP 的半結(jié)晶時間減少,結(jié)晶動力學(xué)常數(shù)增大,結(jié)晶速率提高。
山梨醇類成核劑可明顯提高PP的透明度、表面光澤度及其他力學(xué)性能,且與PP 相容,基本上無毒。倪卓等[30]發(fā)現(xiàn)1,3-2,4-二亞(對甲基)芐基山梨醇(MDBS)可以改變PP 的結(jié)晶結(jié)構(gòu),細(xì)化晶粒,提高結(jié)晶度,加快結(jié)晶速率。以MDBS為成核劑,采用溶液沉淀法制備MDBS 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%,0.3%,0.5%,0.7%,0.9%的粉末PP樣品。使用紅外光譜儀、差示掃描量熱儀、X-射線衍射儀和偏光顯微鏡等儀器研究其結(jié)晶性能。結(jié)果表明:MDBS是PP 的有效β誘導(dǎo)劑,MDBS 的加入能誘導(dǎo)大量球晶生成,使結(jié)晶峰尖銳,結(jié)晶溫度區(qū)間變窄,提高了PP 的結(jié)晶速率和結(jié)晶度,結(jié)晶度提高了19%左右。紅外光譜法(FT-IR)、X-ray衍射法和差示掃描量熱法等分析結(jié)果一致。當(dāng)MDBS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時,PP 的改性效果最好,PP的結(jié)晶度達(dá)到最大值。
有機磷酸鹽類成核劑增加PP 透明度的效果顯著,沒有異味,熱穩(wěn)定性較好,但成本過高。有機磷酸鹽類成核劑與山梨糖醇類成核劑相比,其改變PP結(jié)晶行為稍有所不同。魯圣軍等[31]使用偏光顯微鏡、差熱分析儀分別研究了山梨糖醇類成核劑(TM-3)和有機磷酸鹽類成核劑(NA-21)對PP 的透明度、結(jié)晶性能等的影響。結(jié)果表明:NA-21和TM-3均有明顯增加PP 透明度的作用;NA-21比TM-3更能提高PP 的結(jié)晶溫度;而TM-3比NA-21更能提高PP的結(jié)晶度。
使用某一聚合物可以作為PP的改性劑,明顯改變PP的結(jié)晶溫度、結(jié)晶速率等。
黃英珠等[32]使用差示掃描量熱儀對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的超高相對分子質(zhì)量的聚乙烯(PE-UHMW)的PP進行測試和表征;應(yīng)用Ozawa法、莫志深法和Kissinger法分析了該體系的非等溫結(jié)晶動力學(xué)。結(jié)果表明:含有PE-UHMW 的PP 在較高的溫度下開始結(jié)晶,且由于超高相對分子質(zhì)量的PE大分子鏈的存在,使得與PP 分子鏈發(fā)生纏結(jié),阻礙PP 分子鏈排入晶格,降低了結(jié)晶速率,拓寬了結(jié)晶溫度區(qū),有利于PP擠出發(fā)泡成型。
亓永鋒等[33]使用差示掃描量熱儀研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維的PET/全同立構(gòu)聚丙烯(iPP)復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶特性;考察了降溫速率及PET 纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對PET/iPP復(fù)合材料非等溫結(jié)晶性能的影響。結(jié)果表明:PET 纖維可提高iPP的結(jié)晶溫度,減少結(jié)晶時間,增大結(jié)晶速率。
近年來各國科學(xué)家對PP 的結(jié)晶動力學(xué)的研究獲得一些成果。在研究手段方面,有差示掃描量熱法、熱臺偏光顯微鏡法、膨脹計法、光學(xué)解偏振光強度法、Jeziorny法、Ozawa法和莫志深法等,也獲得在一些特定條件下的結(jié)晶速率、晶體的生長特性、Avrami指數(shù)等一些研究PP結(jié)晶的重要參數(shù)。
雖然科學(xué)家們對PP 的研究已經(jīng)取得了很大的進展,但在PP 結(jié)晶的某些方面,如對非等溫結(jié)晶動力學(xué)的研究,由于過程復(fù)雜,目前基本上所有處理方法均有一定的局限性,不能完全表示其結(jié)晶動力學(xué)的特性,所以在這方面還需要深入研究。
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