剪切場對等規(guī)聚丙烯-玻璃纖維復(fù)合材料界面結(jié)晶形態(tài)的影響.pdf

1、等規(guī)聚丙烯(iPP)作為第二大合成樹脂，是一種典型的多晶型聚合物。其中，β-iPP晶體具有較低的熔點(diǎn)、熔融焓、結(jié)晶度、以及顯著提高的抗沖擊強(qiáng)度和韌性等特點(diǎn)。然而，只有在一些特殊的結(jié)晶過程，如加入β成核劑、施加溫度梯度場、剪切或拉伸場時才能誘導(dǎo)β-iPP晶體的生成。在目前的研究中，剪切誘導(dǎo)β-iPP晶體的形成機(jī)理一直備受爭議。鑒于此，本文借助課題組自主設(shè)計搭建的一臺改進(jìn)型纖維熔體牽引裝置，以三明治結(jié)構(gòu)的iPP/玻璃纖維(GF)復(fù)合材料為研

2、究對象，通過多種巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計，進(jìn)一步探究了剪切場下β-iPP晶體的形成機(jī)理。
　　本文首先以纖維牽引速率為實(shí)驗(yàn)變量，通過以不同速率牽引嵌入iPP熔體中的GF（其本身對iPP無異相成核能力），來對iPP過冷態(tài)熔體施加剪切場。使用偏光顯微鏡(POM)原位研究了在纖維牽引過程中，剪切速率（或說界面剪切應(yīng)力）對 iPP/GF復(fù)合材料界面結(jié)晶形態(tài)的影響，并進(jìn)一步結(jié)合偏振傅里葉紅外光譜(FTIR)、二維廣角X射線衍射(2D-WAXD)、掃描

3、電子顯微鏡(SEM)等表征手段，對iPP/GF復(fù)合材料界面結(jié)晶的分子鏈取向、晶體晶型、晶片尺度的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明：(1)剪切能有效促進(jìn)iPP結(jié)晶以及β-iPP晶體的形成，即使在很低的纖維牽引速率下（如10μm/s）也觀察到了β-iPP晶體的出現(xiàn)；(2)隨著纖維牽引速率的提高，界面β-iPP晶體的含量（即結(jié)晶度）也逐漸增大；在較高的牽引速率下，首次發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)穩(wěn)定的界面鞘結(jié)構(gòu)，其能有效誘導(dǎo)β柱晶的生成；(3)等溫結(jié)晶過程中

4、，不同iPP晶型的生長速率不受結(jié)晶前期剪切場的影響，且在實(shí)驗(yàn)所設(shè)的結(jié)晶溫度下(134 oC)，β-iPP晶體的生長速率大于α-iPP晶體的生長速率；(4)隨著纖維牽引速率的增加，靠近GF位置的結(jié)晶區(qū)域分子鏈取向程度逐漸增大，且鞘結(jié)構(gòu)的分子鏈取向程度顯著大于α柱晶；(5)界面鞘結(jié)構(gòu)的表面微觀形態(tài)為平行排列的shish-kebabs聚集體，片晶支化的β-iPP晶體直接在纖維狀的kebabs上生長。
　　隨后，通過采用單層iPP薄膜復(fù)合

5、試樣進(jìn)行高牽引速率實(shí)驗(yàn)，對淬冷后的試樣再次進(jìn)行SEM表征，探索了鞘結(jié)構(gòu)的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，鞘結(jié)構(gòu)內(nèi)部的晶片排列并不具有預(yù)想的規(guī)整的取向梯度，最規(guī)整排列的晶片分布在稍遠(yuǎn)離GF表面的位置。通過分析前期實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)計的個別雜質(zhì)粒子的移動軌跡和界面剪切應(yīng)力隨時間的變化曲線，設(shè)計了碳黑(CB)標(biāo)記實(shí)驗(yàn)，對纖維牽引過程中iPP熔體的流動情況進(jìn)行了更直觀地研究；隨后結(jié)合對拉出部分的GF表面形態(tài)進(jìn)行POM觀察，得出這種不規(guī)整晶片分布的原因可能為：一方

6、面，在纖維高速牽引過程中，iPP熔體并不是簡單的層流，而類似于匯流，即纖維周圍熔體有向纖維表面靠攏的趨勢，從而導(dǎo)致最靠近GF表面的iPP熔體部分被排擠到遠(yuǎn)離GF的位置；另一方面，由于GF本身對iPP熔體的粘附作用，也使得GF最表面的一部分iPP熔體粘附在GF表面而被拉出。
　　最后，在不同預(yù)剪切溫度下，通過數(shù)十次循環(huán)的熔融再結(jié)晶過程，研究了鞘結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性和β-iPP的晶體記憶效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高的預(yù)剪切溫度不利于鞘結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，卻有