β成核劑對PP流變性能及纖維力學性能的影響

徐 德 增， 韓 笑， 郭 靜， 程 雪

( 大連工業(yè)大學 化工與材料學院， 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

聚丙烯纖維是四大合成纖維發(fā)展?jié)摿^大的品種，已是第二大合成纖維品種[1]。其最突出優(yōu)點是熔點低，可以與很多后整理助劑和新功能助劑共混來改變其自身性能。β成核劑是一種改性材料的助劑，用β成核劑改性聚丙烯在塑料方面的應用已有文獻報道[2-5]，β成核劑能促進分子的結晶過程和加快結晶速度，使分子具有微晶結構[6]，從而可以改變塑料產(chǎn)品的物理性能[7]，但就該成核劑在纖維領域的應用卻鮮見報道。本研究用β成核劑改性聚丙烯，根據(jù)β成核劑的異相成核機理，用熔融紡絲法制備共混纖維，對纖維的流動性能和力學性能進行了分析，并探討了影響纖維性能的因素。本研究證明β成核劑的加入，可以降低紡絲溫度，提高纖維的韌性，擴大聚丙烯纖維的應用范圍并為材料后加工成型條件的確定提供參考。

1 實 驗

1.1 儀器和原料

聚丙烯(PP)，中國石油遼陽石油分公司烯烴廠產(chǎn)，代號71735，tm=170 ℃(YG252A熔點儀)；β成核劑，大連工業(yè)大學自制；毛細管流變儀，CFT-500，日本島津公司；電子單纖維強力儀，LLY-06E型，萊州市電子儀器有限公司；紡絲機，φ25，上海金緯機械制造有限公司。

1.2 共混物的制備

1.2.1 共混物的組成

將β成核劑與PP混合，共混比例見表1。用螺桿將其共混鑄帶，鑄帶溫度為210 ℃。用切粒機切粒。

表1 PP/β成核劑共混物組成Tab.1 Composition of PP/β nucleating agent blends

1.2.2 紡絲條件

將PP與β成核劑按比例通過物理方法進行共混，保證β成核劑均勻黏附在PP表面，再經(jīng)單螺桿擠出機進行熔融紡絲，擠出機的一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)溫度均設定在240 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為1～17 r/min，熔體溫度為200～250 ℃，卷繞速度為300 m/min，熔體擠出初速為3.25 m/min。

1.3 共混物的表征

1.3.1 流變性能的測試

采用日本島津公司的CFT-500型毛細管流變儀，將共混體質(zhì)量分數(shù)為0、0.2%、0.5%、0.7%的共混物按每次1.0 g加入流變儀，流變儀壓力分別為1.04×104、2.61×104、4.17×104、5.22×104、6.26×104Pa，實驗溫度分別為200、220、240 ℃。毛細管直徑0.5 mm；毛細管長度15 mm；溫度精度±0.2 ℃；預熱時間60 s。

1.3.2 力學性能的測試

采用LLY-06E型電子單纖維強力儀進行拉伸強度測試。取一定長度的纖維，用強力儀上下兩個空氣夾將纖維夾緊，設定參數(shù)后測試質(zhì)量分數(shù)分別為0、0.2%、0.5%、0.7%改性纖維的斷裂強度。拉伸溫度為20 ℃，拉伸隔距10 mm，拉伸速度20 mm/min。

1.4 計算公式[8]

2 結果與討論

2.1 β成核劑對PP流變性能的影響

2.1.1 同一溫度不同組分下剪切應力對剪切速率的影響

(a) 200 ℃

(b) 240 ℃圖1 剪切應力對剪切速率的影響Fig.1 Effects of shear stress on shear rate

表2 非牛頓流動指數(shù)與β成核劑質(zhì)量分數(shù)的關系Tab.2 Effects of β nucleating agent contain on non-Newtonian index

由圖2可見，共混體系是典型的假塑性流體，流體的表觀黏度隨剪切速率的增加而減少，出現(xiàn)“切力變稀”現(xiàn)象。這是因為:一方面剪切速率增大，大分子構象發(fā)生變化，長鏈分子偏離平衡構象，并沿流動方向取向，結果使大分子運動相對容易；二是由于β成核劑起到了潤滑的作用，并隨著質(zhì)量分數(shù)的變化而變化，當β成核劑質(zhì)量分數(shù)增加后，潤滑的程度也增加，這樣就削弱了分子間的作用力，使得流動阻力下降，進而表觀黏度下降。

圖2 200 ℃時剪切速率對表觀黏度的影響Fig.2 Effects of shear rate on apparent viscosity ηa at 200 ℃

2.1.3 不同β成核劑質(zhì)量分數(shù)在相同剪切應力時溫度對表觀黏度ηa的影響

如圖3所示，表觀黏度隨著溫度的提高即1/T的下降而下降，這是因為大分子的流動是通過分子鏈段的協(xié)同作用來實現(xiàn)的，溫度升高既可提高分子躍遷能力，又可增加自由體積，因此大分子更易于流動，黏度下降。圖3還可見lnηa-1/T有很好的線性關系，符合阿累尼烏斯方程[10](lnηa=lnA+ΔEη/RT)，由曲線的斜率可得出黏流活化能ΔEη。

由表3可見，ΔEη隨著β成核劑質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，ΔEη越大則溫度對黏度的影響越大，從而不利成型穩(wěn)定，即加工時應注意控制相應的溫度。

圖3 溫度對表觀黏度的影響Fig.3 Effects of temperature on the apparent viscosity ηa

表3 黏流活化能ΔEη與β成核劑質(zhì)量分數(shù)的關系Tab.3 Effects of β nucleating agent contain on viscous flow activity energy

2.2 β成核劑對PP力學性能的影響

從圖4可以看出，隨著β成核劑質(zhì)量分數(shù)的增加，共混體系的斷裂強度逐漸下降。這是由于β成核劑的加入可以使聚丙烯的結晶體積變小，結晶速度加快，數(shù)量增加，結晶度變高。β晶型聚丙烯球晶的形態(tài)是由捆束狀生長的晶片束組成，球晶的致密程度比較低，因此晶片束之間的非晶區(qū)就很容易被拉開形成微銀紋或微孔穴，因此模

圖4 β成核劑對聚丙烯力學性能的影響Fig.4 Effects of the β nucleating agent on the mechanical properties of PP

量下降，導致斷裂伸長升高，從而斷裂強度下降[11]。而在β晶的多孔結晶區(qū)域中存在大量的連續(xù)分子鏈連接形成的擴展型鏈段，這使得β晶的材料在破壞時可吸收較多能量，顯示較好的韌性。

3 結 論

(1)β成核劑與PP的共混物，其非牛頓指數(shù)隨β成核劑添加量的增加而減小，為假塑性流體，其表觀黏度隨剪切速率的增大而減小，隨溫度的增大而減小，且均為線性關系。黏流活化能隨著β成核劑質(zhì)量分數(shù)的增加略有增大，且當β成核劑質(zhì)量分數(shù)為0.7%時，ΔEη=45.3 kJ/mol。黏溫依賴性增大，加工時應注意對溫度控制。

(2)隨著β成核劑質(zhì)量分數(shù)的增加，纖維的斷裂伸長逐漸升高，斷裂強度逐漸下降，聚丙烯的結晶體積變小，結晶數(shù)量增加，材料的韌性逐漸增加。

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