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        聚丙烯/超支化聚酯酰胺共混物的等溫結(jié)晶動力學(xué)

        2020-03-27 14:14:58傅光華王天晴陳恒杰官仕龍樊慶春
        合成樹脂及塑料 2020年1期
        關(guān)鍵詞:見式晶核晶型

        陶 齊,傅光華,王天晴,陳恒杰,景 錚,官仕龍,樊慶春

        (武漢工程大學(xué),綠色化工過程教育部重點實驗室,湖北省武漢市 430073)

        超支化聚合物具有高度支化的三維球狀結(jié)構(gòu),它是由重復(fù)單元和具有多官能團的核分子組成。超支化聚合物的三維結(jié)構(gòu)使其在較高相對分子質(zhì)量條件下有較低的黏度,而大量端基的存在提高了聚合物的溶解度和反應(yīng)活性[1-4]。因此,超支化聚合物有廣闊的應(yīng)用前景,包括藥物運輸、催化、涂料和添加劑等[5-8]。超支化聚酯酰胺(HBPEA)是超支化聚合物中的一種,分子結(jié)構(gòu)中含有酯基和酰胺基,兼具聚酯和聚酰胺的優(yōu)良性質(zhì)。HBPEA的分子結(jié)構(gòu)見圖1。

        近年來,將超支化聚合物與合成樹脂共混,改善聚合物性能的研究很多[9-10]。研究表明,將超支化聚合物作為加工助劑與合成樹脂共混,可以改善聚合物的加工性能、力學(xué)性能和流變性能等[11-12],而將HBPEA作為聚丙烯(PP)加工助劑的研究較少。本工作采用HBPEA與PP共混,控制HBPEA的加入量,通過差示掃描量熱法(DSC)研究HBPEA對PP結(jié)晶行為的影響。

        圖1 由4-甲基六氫苯酐和二異丙醇胺合成 超支化聚酯酰胺的理想結(jié)構(gòu)Fig.1 Idealized sturcture of HBPEA based on 4-methylcyclohexane- 1,2-dicarboxylic anhydride and diisopropanolamine

        1 實驗部分

        1.1 主要原料與儀器

        PP T30S,中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司;HBPEA,自制。

        SHJ-20型雙螺桿擠出機,南京永騰化工裝備有限公司;DSC 200 F3型差示掃描量熱儀,德國耐馳儀器制造有限公司。

        1.2 試樣制備

        分別將0.2,0.3,0.4,0.5 phr的HBPEA與100.0 phr的PP混勻后,在雙螺桿擠出機上擠出造粒,制備HBPEA改性的PP試樣,分別記作PP/HBPEA-0.2,PP/HBPEA-0.3,PP/HBPEA-0.4,PP/HBPEA-0.5。擠出機各段溫度分別為170,170,175,175,180,185,190,195 ℃。

        1.3 性能測試

        取6~8 mg試樣,利用差示掃描量熱儀進(jìn)行等溫結(jié)晶分析。通入N2保護(hù),以40 ℃/min加熱到210 ℃,恒溫5 min消除熱歷史;然后以40 ℃/min迅速降至結(jié)晶溫度(θc)(分別為110,115,120,125 ℃),等溫結(jié)晶10 min,得到等溫結(jié)晶曲線。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 PP/HBPEA等溫結(jié)晶曲線分析

        從圖2看出:所有試樣在170 ℃左右均只有一個熔融峰,并未出現(xiàn)文獻(xiàn)[13]中的雙峰,根據(jù)熔融溫度可知,這個熔融峰屬于PP的α晶。而PP以α晶型為主,β晶型PP可通過加入成核劑或改進(jìn)加工條件得到。這說明加入HBPEA并沒有改變PP的晶型。PP有5種晶型,而具有實用價值的是α晶型和β晶型。目前,主流的成核劑可以分為α晶型成核劑和β晶型成核劑,而HBPEA屬于α晶型成核劑。

        圖2 PP和PP/HBPEA在110 ℃等溫結(jié)晶后的熔融曲線Fig.2 Melting curves of PP and PP/HBPEA after isothermal crystallization at 110 ℃

        從圖3可以看出:PP/HBPEA共混物為單一的結(jié)晶峰,隨著θc的升高,結(jié)晶峰向右偏移,且結(jié)晶峰的形狀逐漸平緩,說明結(jié)晶時間增加,PP的結(jié)晶速率下降。這是因為溫度升高使聚合物鏈段的運動加劇,不利于鏈段聚集成核,阻礙了PP的結(jié)晶。與純PP相比,PP/HBPEA等溫結(jié)晶曲線上結(jié)晶峰的寬度變窄,結(jié)晶時間明顯減少。這說明加入HBPEA可以提高PP的結(jié)晶速率,原理是在結(jié)晶初期,純PP成核以均相成核為主,成核速率很慢,影響結(jié)晶速率;加入的HBPEA起異相成核作用,提供了大量異相晶核,省去了成核這一階段,從而加快了結(jié)晶速率。

        2.2 PP/HBPEA的等溫結(jié)晶動力學(xué)

        為了研究HBPEA對PP成核的影響,利用Avrami方程[見式(1)]分析PP/HBPEA共混物的結(jié)晶行為,并計算等溫結(jié)晶動力學(xué)參數(shù)。

        式中:t為結(jié)晶時間,s;n為Avrami指數(shù),其值與晶體的生長和成核有關(guān);k為Avrami等溫結(jié)晶常數(shù),與成核和結(jié)晶速率有關(guān);Xt是某一時刻的相對結(jié)晶度,可通過式(2)得到。

        式中:X(t)為t時刻的結(jié)晶度;X(∞)為理論上結(jié)晶完全時的結(jié)晶度;dH(t)/dt為t時刻的結(jié)晶熱釋放速率。

        將式(1)兩邊同時取對數(shù),整理得到式(3)。

        用ln[-ln(1-Xt)]對lnt作圖,經(jīng)過線性擬合后得到k和n的值,半結(jié)晶時間(t1/2)可由式(4)求得。

        圖3 PP和PP/HBPEA在不同θc條件下的等溫結(jié)晶曲線Fig.3 Isothermal crystallization curves of PP and PP/HBPEA at different temperatures

        將式(4)取倒數(shù)可近似地表示半結(jié)晶速率(G1/2),見式(5)。

        從圖4可以看出:所有試樣的曲線均為S型。這說明所有試樣的等溫結(jié)晶過程分為3個階段:1)結(jié)晶誘導(dǎo)期,晶核開始生成,相對結(jié)晶度緩慢增長;2)結(jié)晶中期,相對結(jié)晶度迅速增大;3)結(jié)晶后期,結(jié)晶速率逐漸減小,相對結(jié)晶度達(dá)到最大值。從圖4還可以看出:隨θc的增加,PP和PP/HBPEA達(dá)到相同結(jié)晶度的時間延長,結(jié)晶速率降低;與純PP相比,加入HBPEA使PP/HBPEA達(dá)到相同結(jié)晶度所需時間減少,在HBPEA加入量為0.4 phr時效果最明顯。

        圖4 PP和PP/HBPEA在不同θc條件下的相對結(jié)晶度與結(jié)晶時間的關(guān)系Fig.4 Relative crystallinity as a function of crystallization time of PP and PP/HBPEA at different crystallization temperatures

        對所有試樣的lnt與ln[-ln(1-Xt)]關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合分析,從圖5可看出:所有試樣的線性相關(guān)系數(shù)均在0.97以上,說明Avrami模型適用于研究PP和PP/HBPEA的等溫結(jié)晶過程。

        圖5 PP和PP/HBPEA的lnt與ln[-ln(1-Xt)]關(guān)系Fig.5 Plots of lnt vs. ln[-ln(1-Xt)] of PP and PP/HBPEA

        由圖5所得直線的斜率和截距可以求得n和lnk。再由式(4)和式(5)可求得t1/2和G1/2。從表1可以看出:所有試樣的Avrami指數(shù)均在1.48~2.11,說明PP晶體的生長為二維盤狀方式生長。加入HBPEA并未引起n的較大變化,說明PP晶體的生長方式?jīng)]有發(fā)生改變。此外,lnk隨θc的升高而降低,說明升溫使晶體成核速率和生長速率降低。而在相同θc條件下,PP/HBPEA的lnk均大于純PP,說明HBPEA能有效提高PP的結(jié)晶速率。G1/2隨溫度升高而降低,加入HBPEA后,在所有θc條件下,PP的G1/2有一定提高。在加入0.4 phr HBPEA時,其G1/2為純PP的1.3~2.0倍。這進(jìn)一步證明加入HBPEA有利于PP晶體的生長,具有明顯的異相成核作用。

        2.3 HBPEA對PP球晶生長的影響

        Hoffmann-Lauritizen理論是球晶生長分子模型,根據(jù)Keller關(guān)于折疊連片晶形成理論而提出,經(jīng)過研究和修正,可以系統(tǒng)和完善地解釋高聚物的結(jié)晶行為和機制。Hoffmann-Lauritizen理論的表達(dá)式見式(6)。

        式中:G為球晶徑向生長速率;G

        0

        為指前因子;U

        *

        為結(jié)晶單元移動到結(jié)晶體表面所需的活化能(對于PP,U

        *

        =6 280 J/mol);K

        g

        為成核參數(shù);R是氣體常數(shù);θ

        g

        -30,θ

        g

        為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,K;θ

        0

        m

        為平衡熔點,過冷度(Δθ)=θ

        m

        0

        c

        ;f=2θ

        c

        /(θ

        m

        0

        c

        ),為矯正因子。對式(6)取對數(shù),得式(7)。

        表1 PP和PP/HBPEA的Avrami參數(shù)Tab.1 Avrami values of PP and PP/HBPEA

        將lnG+U*/R(θc-θ∞)對(θc·Δθ·f)-1作圖,可得到圖6,經(jīng)過線性擬合得到的直線斜率為-Kg,截距為lnG0,見式(8)。

        圖6 試樣的lnG+U*/R(θc-θ∞)與(θc·Δθ·f)-1的關(guān)系曲線Fig.6 lnG+U*/R(θc-θ∞) versus(θc·Δθ·f)-1 of PP and PP/HBPEA

        式中:C為常數(shù);ΔHm0為理想PP結(jié)晶的熔融焓,J/m3;b0為表面層厚度,m;Kb為玻爾茲曼常數(shù);σ為側(cè)表面自由能,σ=ab0ΔHm0,a為經(jīng)驗常數(shù)(取0.1),J/m2;σe為端表面自由能,J/m2。

        從式(8)可以看出:Kg與σe成正比,用這種方法求得PP,PP/HBPEA-0.2,PP/HBPEA-0.3,PP/HBPEA-0.4,PP/HBPEA-0.5的σe分別為0.060 9,0.058 8,0.051 4,0.058 7,0.053 3 J/m2。這說明加入HBPEA可以降低PP的端表面自由能,繼而減小晶核臨界尺寸所需要的活化能,從而促進(jìn)大分子鏈在晶核表面折疊而形成結(jié)晶,加快結(jié)晶速率。

        3 結(jié)論

        a)HBPEA在PP成核過程中起異相成核作用,能加快PP結(jié)晶,提高PP結(jié)晶速率。當(dāng)HBPEA加入量為0.4 phr時,改性效果較好。

        b)Avrami方程適用于描述PP和PP/HBPEA的等溫結(jié)晶動力學(xué),所有試樣的Avrami指數(shù)在1.48~2.11,加入HBPEA對PP的晶體生長方式影響不大,晶體生長為二維盤狀方式生長。

        c)加入HBPEA可降低PP的端表面自由能,繼而減小了晶核臨界尺寸所需要的活化能,從而提高PP的成核速率。

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