退火誘導(dǎo)聚丙烯結(jié)構(gòu)調(diào)整及宏觀力學(xué)行為相關(guān)性的研究.pdf

1、聚丙烯(Polypropylene，PP)作為五大通用塑料之一，以其加工成型容易、抗化學(xué)腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛，但因其低溫脆性較明顯，從而限制了其應(yīng)用范圍，因此對(duì)其增韌改性一直以來都是研究的熱點(diǎn)。近期研究發(fā)現(xiàn)，通過在PP基體中引入彈性體、無機(jī)納米填料或成核劑，并在一定條件下對(duì)成型制品進(jìn)行一定程度的熱處理，被證明是改善PP韌性的有效方法，并可獲得綜合力學(xué)性能優(yōu)異的產(chǎn)品。
　　本論文旨在向PP引入一種不同性質(zhì)的第二相成分(低熔點(diǎn)聚氧

2、化乙烯(Polyethylene oxide，PEO)和有機(jī)處理過的蒙脫土(Organic montmorillonite，OMMT))，為PP熱處理過程中分子鏈的運(yùn)動(dòng)提供特殊的環(huán)境條件，即讓PP分子鏈在二次結(jié)晶過程中受到PEO熔體的擾動(dòng)或是OMMT片層結(jié)構(gòu)的阻礙，研究PEO以及OMMT對(duì)PP二次結(jié)晶行為的影響，探討PP等溫退火過程中片晶結(jié)構(gòu)的變化和無定形區(qū)分子鏈松弛行為的變化。同時(shí)采用β成核劑(TMB-5)來控制PP/OMMT納米復(fù)合

3、材料中基體PP的晶體形態(tài)與結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的研究了等溫退火熱處理對(duì)PP/PEO共混物以及PP/OMMT/TMB納米復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能的影響，深入分析了退火提高沖擊韌性的機(jī)理。得到以下結(jié)論：
　　(1)PEO的加入能夠改善基體PP的結(jié)晶行為，使PP的結(jié)晶溫度升高，球晶生成速率增大。PEO對(duì)PP的結(jié)晶起到一定的異相成核的作用，并促使PP/PEO共混物中基體PP生成了少量的β-PP。同時(shí)，PEO能夠促進(jìn)基體PP分子鏈段

4、的滑移擴(kuò)散及松弛行為，但會(huì)抑制基體PP在退火過程中片晶的增厚。
　　(2)PP/5PEO樣品斷裂韌性的提高與退火溫度及退火時(shí)間存在依賴關(guān)系。在較低的退火溫度下(<100℃)，PP/5PEO斷裂韌性提高不大；在相對(duì)適中的溫度下(100-140℃)退火，斷裂韌性大幅度提高；在更高的溫度下(>140℃)退火，斷裂韌性降低。另外，PP/5PEO在100℃退火后，隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品斷裂韌性逐漸提高。PP/10PEO樣品的沖擊強(qiáng)度隨著退

5、火溫度(90-150℃)的增大，呈現(xiàn)出近似線性增大的趨勢(shì)?？紤]到高溫退火時(shí)PEO的部分降解在一定程度上不利于PP/PEO體系綜合力學(xué)性能的提高，所以認(rèn)為PP/PEO體系最佳的退火溫度范圍為100-140℃。
　　(3)退火會(huì)使PP/PEO兩組共混物樣品的剛性增大，表現(xiàn)為退火后PP/5PEO樣品的儲(chǔ)能模量增大，PP/10PEO樣品的顯微硬度增大；同時(shí)，等溫退火處理后PP/PEO兩組共混物的樣品在單軸拉伸過程中的應(yīng)力下降現(xiàn)象變得不明顯

6、。
　　(4)對(duì)退火提高沖擊韌性的機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為除了PEO本身對(duì)PP有一定的增韌作用外，PEO能夠促使基體PP生成少量的β-PP。樣品在較溫和的溫度(100-140℃)退火時(shí)，除了β-PP本身晶體結(jié)構(gòu)逐漸完善外，PEO能夠促進(jìn)基體PP無定形區(qū)分子鏈段的二次結(jié)晶行為，進(jìn)而使PP基體片晶之間無定形區(qū)分子鏈段的纏結(jié)點(diǎn)密度降低。即共混物中無定形區(qū)分子鏈段靈活性增大是導(dǎo)致其斷裂韌性提高的主要原因。同時(shí)，在PP/10PEO體系中，等溫退

7、火處理后樣品在沖擊斷裂過程中由脆性斷裂為主的平面應(yīng)變狀態(tài)逐漸向韌性斷裂的平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而使體系的沖擊強(qiáng)度顯著提高。
　　(5)盡管OMMT會(huì)抑制PP/OMMT/TMB納米復(fù)合材料中基體PP生成β-PP，但TMB-5較強(qiáng)的β成核作用還是能夠使PP/OMMT/TMB納米復(fù)合材料中基體PP主要以β-PP的形式存在。PP/OMMT/TMB納米復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度與退火溫度存在依賴關(guān)系。在較溫和的溫度下(110-130℃)退火，樣品沖擊

8、強(qiáng)度大幅度提高；當(dāng)退火溫度較高(=150℃)時(shí)，樣品的沖擊強(qiáng)度急劇降低。這與退火后PP/OMMT/TMB納米復(fù)合材料中晶體結(jié)構(gòu)變化是相對(duì)應(yīng)的。
　　(6)通過向PP/OMMT中引入β-NA，在控制PP基體晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上并對(duì)其施加等溫退火熱處理，可以獲得強(qiáng)度和韌性明顯改善的PP/OMMT納米復(fù)合材料，并且克服了以往研究中OMMT改性PP難以增韌的問題。
　　(7)對(duì)比分析了等溫退火對(duì)PP引入不同第二相成分PEO和OMMT體系

9、沖擊性能的影響，結(jié)果表明：β-NA的加入使PP/OMMT/TMB納米復(fù)合材料基體PP生成大量的β-PP，與具有“互鎖”結(jié)構(gòu)的α-PP相比，β-PP相對(duì)較為松散的平行排列的片晶使得納米復(fù)合材料具有較好的韌性。但是由于OMMT納米片層結(jié)構(gòu)對(duì)樣品中分子鏈段的阻礙作用，使得PP/OMMT/TMB體系經(jīng)過110-130℃等溫退火處理后，樣品沖擊強(qiáng)度增大的幅度小于PP/5PEO的體系，進(jìn)一步表明PP共混物體系中無定形區(qū)分子鏈段的靈活性對(duì)其沖擊韌性的