李桂麗,李鵬輝,張 錦,劉保臣,李海梅
(鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450001)
半結(jié)晶聚合物制品的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)決定其使用性能[1-2]。聚合物在成型加工(如擠出、注塑、纖維紡絲等)過程中,以熔體的形式經(jīng)受變化劇烈的復(fù)雜流場(chǎng)。流場(chǎng)能加速聚合物的結(jié)晶速率[3-4],誘導(dǎo)產(chǎn)生不同的晶型和取向結(jié)構(gòu)(橫晶、柱晶、串晶等)[5-6]。柱晶是聚合物熔體在流場(chǎng)作用下,分子鏈沿著流動(dòng)方向取向成核,折疊鏈片晶在其表面附生生長,形成的一種柱狀晶體結(jié)構(gòu)。Binsbergen等[7]研究應(yīng)變誘導(dǎo)聚合物結(jié)晶時(shí),首次發(fā)現(xiàn)柱晶,引起了研究者對(duì)柱晶的關(guān)注,至今已取得豐富的研究成果。Varga和Karger-Kocsis[8-9]采用纖維拉伸技術(shù),對(duì)柱晶展開一系列研究:認(rèn)為柱晶屬于均相成核/自成核,由折疊鏈片晶構(gòu)成,中心為取向排核,與折疊鏈片晶相比,排核有更高的熱穩(wěn)定性。Sun等[10]認(rèn)為給定結(jié)晶溫度,柱晶形成存在一個(gè)取向窗口,滿足條件的聚合物分子鏈才能取向成核并生長成柱晶。Zhao等[11]通過控制溫度和流場(chǎng)條件,繪制出生成柱晶的溫度-流場(chǎng)相圖。綜上,柱晶是聚合物熔體在溫度場(chǎng)和流場(chǎng)共同作用下成核、結(jié)晶的結(jié)果。根據(jù)已有研究成果,從聚合物種類、分子結(jié)構(gòu)、成型工藝三個(gè)方面對(duì)柱晶的形成條件進(jìn)行概述,并結(jié)合表征手段呈現(xiàn)熱力歷程對(duì)柱晶微觀形貌/結(jié)構(gòu)的影響。
iPP有α、β、γ等多種晶型,流場(chǎng)下可以生成α-柱晶、β-柱晶以及αβ-柱晶。Varga等[8]105-110[12]采用單纖維拉伸技術(shù),通過控制結(jié)晶溫度(Tc)和牽引參數(shù)(牽引時(shí)間ts、牽引速率tp)得到生成不同晶型柱晶的溫度窗口:(1)Tc>100 ℃或Tc<140 ℃時(shí),只生成α-柱晶;(2)100 ≤Tc≤ 140 ℃時(shí),形成αβ-柱晶,tp越高,柱晶中β晶含量越多,并逐漸轉(zhuǎn)變成完全的β-柱晶;熔融選擇實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)完全的β-柱晶中并非只有β-晶,其內(nèi)部為α排核,由此提出了β-柱晶的形成機(jī)理,見圖1,即β-柱晶在α-排核上附生生長。近期,Qin等[13]在136 ℃下牽引嵌入iPP熔體中的玻璃纖維(GF),等溫結(jié)晶生成β-柱晶,廣角X射線衍射儀(WAXD)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該柱晶內(nèi)部為高度取向的鞘結(jié)構(gòu),認(rèn)為β-柱晶生成的必要條件是高度取向的結(jié)構(gòu)而非α-排核。
圖1 β-柱晶的形成機(jī)理示意圖Fig.1 The schematic diagram of β-cylindrite formation mechanism
Sun等[10]8720-8726在Varga研究的基礎(chǔ)上對(duì)β-柱晶的取向條件進(jìn)一步探究:結(jié)晶溫度137 ℃,低速率牽引GF (Vp<17 μm/s),生成α-柱晶,延長牽引時(shí)間,柱晶晶型不發(fā)生變化;中等速率牽引GF (Vp=30~200 μm/s),延長牽引時(shí)間,發(fā)生的α-柱晶—αβ-柱晶—β-柱晶轉(zhuǎn)變;高速牽引GF (Vp>233 μm/s),極短的牽引時(shí)間(1 s)就能誘發(fā)β-柱晶生成。An等[14]認(rèn)為134 ℃結(jié)晶溫度下,0~60 s-1剪切范圍內(nèi)下,iPP柱晶中β晶含量最高的剪切速率為20 s-1,高于或者低于該值,柱晶中β晶含量均減少。
除工藝參數(shù)外,相對(duì)分子質(zhì)量及其分布也是影響iPP柱晶的重要因素。Jay等采[15]用高、中、低3種重均相對(duì)分子質(zhì)量的iPP,發(fā)現(xiàn)相同流場(chǎng)下,流場(chǎng)不改變低相對(duì)分子質(zhì)量iPP結(jié)晶的行為,中等相對(duì)分子質(zhì)量iPP基體中成核密度增加,形成線狀排核,誘導(dǎo)柱晶生成,柱晶生長速率與球晶生長速率相當(dāng);高相對(duì)分子質(zhì)量iPP中柱晶的生長速率明顯高于球晶。
朱文利等[24]對(duì)PLA柱晶的形貌做了詳細(xì)的歸納,認(rèn)為形態(tài)上柱晶比串晶更接近球晶,是剪切條件下球晶向串晶轉(zhuǎn)變的過渡狀態(tài)。本文重點(diǎn)關(guān)注PLA柱晶的形成條件。李旭娟[25]認(rèn)為PLA柱晶形成存在臨界結(jié)晶溫度,發(fā)現(xiàn)1~10 s-1速率范圍內(nèi),該臨界溫度為120 ℃,高于該值,分子鏈的活動(dòng)能力較強(qiáng)并沿流場(chǎng)方向伸展、取向,利于柱晶形成;低于該值,剪切作用只增加球晶成核數(shù)目,不改變球晶形態(tài)。隨后,Yang等[26]在110 ℃溫度下得到PLA柱晶,但該條件下柱晶尺寸較小直徑僅為1 μm,不利于光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)。邵春光等[27]認(rèn)為120~130 ℃是研究PLA柱晶的理想溫度,低于該溫度范圍,熔體過冷度大,成核密度大,柱晶生長過程中受基體球晶影響,不能發(fā)展為完善的柱晶結(jié)構(gòu),高于該溫度范圍,柱晶成核受到抑制。
與PLA相比,立構(gòu)復(fù)合聚乳酸(SC-PLA)具有比PLA更高的熔點(diǎn),柱晶結(jié)構(gòu)的形成溫度更高,一般在150 ℃以上。Xie等[28]研究了結(jié)晶溫度對(duì)SC-PLA柱晶形貌的影響,發(fā)現(xiàn)100 s-1條件下,僅需0.1 s,就有柱晶形成,該條件下形成的SC-PLA柱晶形狀類似于串晶(見圖2),有較寬的晶核,且受結(jié)晶溫度影響較大,結(jié)晶溫度為150、165和180 ℃時(shí)晶核直徑分別為80、200和50 μm,其中165 ℃條件下晶核具有最大寬度的原因是,該溫度下SC-PLA具有相對(duì)較低的熔體黏度和較強(qiáng)的分子鏈運(yùn)動(dòng)能力。Xu等[29]研究了150 ℃等溫條件下,剪切速率對(duì)SC-PLA柱晶形貌的影響,發(fā)現(xiàn)剪切速率大于90 s-1時(shí),才能形成完整的柱晶結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提高剪切速率至160 s-1,柱晶結(jié)構(gòu)更加致密,取向程度更高。
結(jié)晶溫度/℃:(a)150 (b)165 (c)180圖2 不同結(jié)晶溫度時(shí)SC-PLA柱晶的偏光顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 PLM of SC-PLA cylindrites at different crystallization temperature
2.1.1 單纖維拉伸實(shí)驗(yàn)
單纖維拉伸實(shí)驗(yàn)中影響柱晶形態(tài)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)條件主要有:拉伸纖維的時(shí)間、速率,拉伸溫度,結(jié)晶溫度,松弛溫度,松弛時(shí)間等。該實(shí)驗(yàn)最先由Varga提出,用來研究聚合物/纖維復(fù)合材料界面晶。該工藝下形成的柱晶,以纖維為中心軸,折疊鏈片晶垂直于纖維軸對(duì)稱生長,形成柱狀結(jié)構(gòu)。Monasse等[30]以聚合物流變學(xué)為基礎(chǔ),建立了單纖維拉伸實(shí)驗(yàn)的力學(xué)模型,預(yù)測(cè)了剪切速率沿垂直于纖維表面方向的變化趨勢(shì),即剪切速率在纖維表面位置處有最大值,沿遠(yuǎn)離纖維表面的方向迅速衰減,模型的建立合理解釋了單纖維拉伸實(shí)驗(yàn)中柱晶成核只出現(xiàn)在纖維表面的現(xiàn)象。
Sun等[31]認(rèn)為延長纖維拉伸時(shí)間,提高纖維拉伸的速率,均有助于提高柱晶的成核密度。Alfonso等[32-33]先后以iPB和iPP為研究對(duì)象,首先牽引纖維對(duì)聚合物熔體施加剪切,隨后升溫松弛,最后以降溫結(jié)晶后形成的柱晶形貌為參考指標(biāo),統(tǒng)計(jì)柱晶前軀體的存活壽命,發(fā)現(xiàn)柱晶前驅(qū)體壽命與松弛溫度呈現(xiàn)出Arrhenius類型的關(guān)系。
與其他實(shí)驗(yàn)裝備相比,單纖維拉伸實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)有二:(1)實(shí)驗(yàn)裝置體積小、占地面積少、便于移動(dòng),有光學(xué)窗口,能與偏光顯微鏡(PLM)、傅里葉偏振顯微紅外儀(FTIR)、WAXD以及小角X射線散射儀(SAXS)等連接,便于原位觀察柱晶形態(tài)、結(jié)構(gòu)演化過程、分子鏈構(gòu)象的調(diào)整及聚合物的相態(tài)變化;(2)能提供高剪切場(chǎng),剪切速率可高達(dá)1000 s-1,接近實(shí)際生產(chǎn)工藝條件。
2.1.2 剪切熱臺(tái)
剪切熱臺(tái)也是流動(dòng)誘導(dǎo)聚合物結(jié)晶研究中的常用裝置,以Linkam CSS-450最為常見。該工藝下形成柱晶以取向排核為中心,折疊鏈片晶垂直于排核(流動(dòng)方向)對(duì)稱生長。
Han等[34-35]在140 ℃溫度,對(duì)iPP熔體施加剪切,0.5 s-1和1 s-1條件下分別得到兩類柱晶,其晶核分別為線狀排核和近晶晶核,兩者均在剪切過程中形成,長度不隨等溫結(jié)晶而改變;但柱晶的數(shù)目隨著剪切作用時(shí)間延長而增加,原子力顯微鏡(AFM)表征發(fā)現(xiàn),該工藝參數(shù)下柱晶晶核為拉伸的分子鏈纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)。Hsiao等[36]發(fā)現(xiàn)140 ℃結(jié)晶溫度下,高剪切速率下(60 s-1)并不能得到iPP柱晶,而有更高取向結(jié)構(gòu)的串晶形成。上述成果說明柱晶形成存在一個(gè)流場(chǎng)范圍:低于該范圍流場(chǎng)強(qiáng)度較弱,成核密度小,不足以發(fā)展為柱晶;高于該范圍,分子鏈高度取向,直接發(fā)展為串晶,無柱晶生成。
與單纖維拉伸實(shí)驗(yàn)裝置類似,Linkam CSS-450具有體積小、占地少,易于實(shí)現(xiàn)多種原位觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn),但所提供剪切速率范圍有限,一般小于100 s-1,超過該值,易引起壁面滑移等不良現(xiàn)象。
2.1.3 流變儀實(shí)驗(yàn)
用來研究流動(dòng)誘導(dǎo)柱晶的流變儀有擠出式流變儀(熔融指數(shù)儀)、旋轉(zhuǎn)流變儀(錐板流變儀、平板式流變儀)等。
Zhang等[37-38]采用改進(jìn)的熔體流動(dòng)速率測(cè)定儀,探究了結(jié)構(gòu)熔體對(duì)柱晶的影響,發(fā)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)熔體(非消除熱歷史)和過冷態(tài)熔體(消除熱歷史)施加相同的流場(chǎng),降溫結(jié)晶后前者有柱晶形成,后者無柱晶出現(xiàn),通過SAXS檢測(cè)到結(jié)構(gòu)熔體中存在微小的局部有序結(jié)構(gòu),即柱狀分子鏈?zhǔn)?半徑(17±1)nm,高度(40±1)nm),該微小結(jié)構(gòu)對(duì)柱晶的生成具有至關(guān)重要的作用。
與上述實(shí)驗(yàn)室條件相比,研究注射成型、擠出成型等生產(chǎn)工藝條件下(塑料熔體受到的熱力歷程更復(fù)雜)柱晶形成條件,便于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn),并通過控制聚合物晶體形態(tài)結(jié)構(gòu),調(diào)控制品的宏觀使用性能。已有研究成果發(fā)現(xiàn),柱晶很少在純聚合物試樣出現(xiàn),而易生長在纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料界面處。然而,報(bào)道中多將復(fù)合材料界面晶體稱為橫晶,橫晶屬于異相成核。實(shí)際生產(chǎn)工藝條件下界面晶形成得益于加工流場(chǎng)以及纖維與基體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來的剪切作用,屬于均相成核(自成核),與柱晶的形成機(jī)理相同,本文一律將這類界面晶體稱為柱晶。
2.2.1 注射成型
注射成型包括:普通注射成型、微注射成型、共注射成型(夾芯注射成型)、多熔體多次注射成型、剪切控制注射成型等。模具壁面到模具中心溫度場(chǎng)與流場(chǎng)不均勻變化,導(dǎo)致注塑制品多表現(xiàn)出“皮-芯”分層結(jié)構(gòu),即皮層、剪切層和芯層。皮層無明顯晶體結(jié)構(gòu),芯層為典型球晶結(jié)構(gòu),剪切層有柱晶等取向晶體形成。
Peters等[2]2304-2319認(rèn)為iPP/GF注射試樣界面柱晶形成,歸因于熔體充模流動(dòng)帶來的分子構(gòu)象熵減,結(jié)合單纖維拉伸實(shí)驗(yàn)排除了過冷度、晶格匹配等影響因素。Ning等[39]在無機(jī)晶須(SMCW)增強(qiáng)iPP注塑試樣中發(fā)現(xiàn)一種特殊的晶體,shish-calabash(串葫蘆晶),其形狀類似于“糖葫蘆”,是指少數(shù)的球晶貫穿在SMCW上,由于晶核數(shù)目較少,晶體生長過程中幾乎不受空間阻礙,可發(fā)展為完整的球晶,串葫蘆晶與柱晶的主要區(qū)別在于成核密度不同。
An等[40-41]采用微注射成型制備iPP/PE-HD(PE-HD質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.5 %、2 %、4 %)的共混物試樣,PE-HD含量小于2 %時(shí),僅皮層出現(xiàn)β-柱晶,PE-HD含量超過2 %時(shí),形成串晶和β-柱晶2種晶體形態(tài),依據(jù)柱晶寬度(D)以及相鄰柱晶間的距離(S)量化出不同晶體生成的條件:D≈S時(shí),生成串晶,D
Karacs等[42]對(duì)PP進(jìn)行共注塑,制品中無柱晶生成,加入成核劑后皮層和芯層均有橫穿晶,說明該條件下,橫穿晶屬于異相成核,非流動(dòng)誘導(dǎo)自成核。Wang[43]認(rèn)為降低二次熔體溫度、增加延遲時(shí)間均有利于順序共注塑制品中形成完善的柱晶結(jié)構(gòu)。李海梅等[44-45]系統(tǒng)探究了二次熔體注射溫度、注射速率和延遲時(shí)間,對(duì)延遲線處和芯層熔體流動(dòng)前沿處柱晶數(shù)目的影響,依據(jù)單位體積的能量和數(shù)值模擬,首次量化出共注塑工藝下柱晶生成的能量范圍[39,108]J/m3。
楊鳴波等[46-47]自制多熔體多次注射成型(MMMIM),該工藝過程類似于共注塑,特點(diǎn)在于熔體充填階段二次注射熔體對(duì)一次注射熔體進(jìn)行穿透,產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切場(chǎng),制品的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)更加豐富,呈現(xiàn)雙“皮-芯”結(jié)構(gòu)。依據(jù)二次熔體充填流道數(shù)目,MMMIM又分為:?jiǎn)瘟鞯蓝嗳垠w多次注射成型(SPM3IM)和多流道多熔體多次注射成型(SMM3IM)。以PE-HD為對(duì)象,采用SPM3IM工藝制樣,制品剪切層和芯層均有柱晶生成,該柱晶由受限生長的環(huán)帶球晶堆積而成,降低二次注射熔體溫度和模具溫度,或提高二次熔體注射壓力,環(huán)帶柱晶完善性降低[46]3871-3878。以iPP為一次注射熔體,PE-HD為二次注射熔體,探究SMM3IM成型工藝,制品不同位置處出現(xiàn)不同的晶體形態(tài):芯層熔體熔接線處(MN1)處出現(xiàn)少量橫晶,芯層熔體直徑最大位置處(MN2)柱晶和帶狀晶共存,MN1和MN2界面處橫晶和柱晶共存,這里橫晶是異相成核和二次注射熔體橫向流動(dòng)相互作用的結(jié)果[47]43-54。
剪切控制注射成型(SCORIM)可分為振蕩剪切注射成型(OSIM)和動(dòng)態(tài)保壓注射成型(DIMP),其技術(shù)特點(diǎn)均采用動(dòng)態(tài)保壓替代傳統(tǒng)的靜態(tài)保壓。SCRIM由英國Bevis發(fā)明,可提供兩個(gè)數(shù)量級(jí)的剪切速率(220 s-1),DIMP由我國學(xué)者申開智開發(fā),可提供10 s-1的剪切速率。起初,SCORIM用來改善普通注射成型制品中的缺陷,如表面縮痕、內(nèi)部縮孔,及復(fù)合材料中基體、纖維的取向分布等。近年來,被用來調(diào)控聚合物制品的晶體形態(tài)結(jié)構(gòu),且已取得一系列研究成果[48]。
OSIM流場(chǎng)強(qiáng)度較大,制品中多生成更高取向度的串晶結(jié)構(gòu),柱晶相對(duì)少見[49-51]。Xu等[52]發(fā)現(xiàn)PLA/ramie(苧麻纖維,直徑約17 μm)復(fù)合體系的OSIM制品中有3種晶體結(jié)構(gòu):典型串晶、雜化串晶及柱晶。其中雜化串晶是由常規(guī)苧麻纖維剝離出的納米苧麻微纖維作為shish,捕獲基體中排核微束,并誘導(dǎo)kebab在其表面附生生長而成;常規(guī)苧麻纖維比表面積小,吸附能力弱,其表面只有柱晶形成。
DIMP工藝條件下,以PE-HD或PE-LLD為基體材料,晶須(whisker)或多壁碳納米管(MWCNT)為填料,普通注射成型試樣中只有球晶生成;DIMP試樣中有shish-kebab或shish-calabash形成,提高填料含量或增大聚合物相對(duì)分子質(zhì)量,體系熔體黏度增大,分子鏈運(yùn)動(dòng)能力受阻,取向晶體完善程度降低[53-55]。以iPP/GF復(fù)合體系為研究對(duì)象,DIMP制品中皮層和芯層均有柱晶生成,皮層柱晶數(shù)目較多且結(jié)構(gòu)更為完善[56]。以純iPP為研究對(duì)象,制品剪切層和芯層分別出現(xiàn)多重纖維軸柱晶和單重纖維軸柱晶(PLM圖見圖3),二者分別出現(xiàn)在距離制品表面750~1 300 μm和1 300~1 600 μm處[57],可知前者距離模具壁面較近,剪切應(yīng)力較大,能誘導(dǎo)產(chǎn)生較多的取向分子鏈網(wǎng)絡(luò),后者距離模具壁面較遠(yuǎn),剪切應(yīng)力較小,形成的取向分子鏈網(wǎng)絡(luò)較少。
(a)多重纖維軸柱晶 (b)單重纖維軸柱晶圖3 iPP的兩種柱晶相貌Fig.3 Two kinds of cylindrites of iPP
依據(jù)現(xiàn)有研究成果,將SCORIM工藝下形成柱晶的聚合物及其復(fù)合材料體系進(jìn)行匯總,見表1,由此可知剪切強(qiáng)度、聚合物種類、纖維類型與尺寸都是影響柱晶形成的重要因素。
表1 剪切控制注射成型聚合物制品中的晶體形態(tài)
2.2.2 擠出(紡絲)成型
鄭海麗等[58-59]采用雙螺桿擠出機(jī),研究了擠出溫度對(duì)PE-HD和iPP微觀形貌的影響,認(rèn)為近熔點(diǎn)附近熔體殘存有序結(jié)構(gòu)能加速PE-HD和iPP結(jié)晶動(dòng)力學(xué),其中iPP中有高向度的晶片形成,PE-HD相對(duì)分子質(zhì)量較小,松弛快,不能形成取向晶體。
Qiu等[60]在擠出機(jī)中添加多層擠出單元,得到iPP層與iPP/talc層交替出現(xiàn)的復(fù)合結(jié)構(gòu),柱晶在iPP層出現(xiàn),成核位置與iPP層厚度有關(guān):iPP層厚度大于120 μm,柱晶在相鄰兩層界面處成核,向iPP層內(nèi)生長,是talc異相成核和流場(chǎng)誘導(dǎo)自成核共同作用的結(jié)果;iPP層厚度小于120 μm,柱晶在iPP層內(nèi)成核,屬于流動(dòng)誘導(dǎo)自成核。Li等[61]采用自制的擠出機(jī),探究了取向單元(OA)對(duì)短玻璃纖維(SGFs)增強(qiáng)iPP復(fù)合材料結(jié)晶行為的影響,OE數(shù)大于4時(shí),制品中才有柱晶出現(xiàn),且數(shù)目隨取向OA數(shù)增加而增多。
Gao等[62]認(rèn)為PP/whisker(5 %)熔融紡絲制品中,纖維/基體界面晶體形態(tài)與拉伸比有關(guān),低拉伸比(收卷速度50 m/min),形成串葫蘆晶,高拉伸比(收卷速率150 m/min),形成柱晶。
綜上所述,流場(chǎng)條件下,半結(jié)晶聚合物結(jié)晶形態(tài)會(huì)發(fā)生球晶-柱晶的轉(zhuǎn)變,雖然不同材料、不同工藝下的柱晶形成條件存在差異,但均是聚合物熔體在流場(chǎng)和溫度場(chǎng)共同作用下均相成核/自成核和結(jié)晶的結(jié)果。有關(guān)柱晶的研究為探索材料-形貌-性能之間的關(guān)系提供參考依據(jù),完成了iPP、PB-1、PA、PLA等多種材料的研究成果,形成了多種量化柱晶形成的臨界條件(剪切速率、剪切應(yīng)力、德博拉常數(shù)、魏森貝格數(shù)、柱晶直徑與柱晶間的距離比值等),研究范圍從單一熱、力場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件到實(shí)際加工生產(chǎn)中的復(fù)雜流場(chǎng)(注射、擠出、紡絲等),但研究成果前者多余后者?,F(xiàn)有如下問題:(1)量化柱晶的生成條件缺少數(shù)學(xué)模型、外力功、能量等方面的思考;(2)生產(chǎn)工藝條件下,關(guān)于復(fù)合材料界面晶的形成機(jī)理多為定性描述,缺少量化自成核與異相成核比重的指標(biāo)。