聚丙烯/超細滑石粉復合材料的非等溫結(jié)晶動力學

張 鍇， 馮 楊， 蔡 青

(上海普利特復合材料股份有限公司， 上海 201707)

0 前言

研究結(jié)晶聚合物或半結(jié)晶聚合物的結(jié)晶速率及結(jié)晶動力學，是差示掃描量熱儀的重要應用領(lǐng)域之一。聚合物結(jié)晶動力學分為等溫和非等溫兩種，其中非等溫結(jié)晶過程是指在變化的溫度場下的結(jié)晶過程，通常在差示掃描量熱儀上通過等速變溫的方法實現(xiàn)。與等溫法相比，非等溫結(jié)晶更接近實際生產(chǎn)過程，實驗上較容易實現(xiàn)，但過程較為復雜，理論研究和數(shù)據(jù)處理模型眾多，如Ozawa方法[1]、Jeziorny方法[2]、Harnissch和Muschik方法[3]、Privaklo方法[4]和Mo方法[5]等。

聚丙烯作為一種應用極為廣泛的通用塑料，由于其力學性能較差、成型收縮率大等缺點，通常需要添加滑石粉等無機填料來提高材料的強度和尺寸穩(wěn)定性。無機填料的加入必將一定程度上影響聚丙烯基體的結(jié)晶過程，而結(jié)晶對材料性能起到關(guān)鍵作用，因此，應用差示掃描量熱法(DSC)研究聚丙烯及其復合材料的結(jié)晶動力學，對于聚丙烯或改性聚丙烯的實際生產(chǎn)和應用具有指導意義。

聚丙烯及其復合材料結(jié)晶動力學的相關(guān)研究較多，除了純聚丙烯[6-7]外，加入樹脂基體中的無機物填料有片狀[8-12]、針狀[13-14]和球狀[15-18]，填料尺寸從微米級[19-20]到納米級[21-22]不等。盡管包括滑石粉在內(nèi)的多種無機物對聚丙烯結(jié)晶過程的影響都已被深入地研究[23-24]，但研究內(nèi)容大多將聚丙烯/無機物復合材料和純聚丙烯的結(jié)晶動力學進行對比分析，而對于粒徑各不相同的同一種填料對聚丙烯結(jié)晶過程影響的相關(guān)研究未見報道。

筆者以DSC為主要研究手段，重點考察了采用不同粒徑滑石粉填充時聚丙烯復合材料的非等溫結(jié)晶動力學，通過熱分析的方法揭示了無機物分散相尺寸對聚丙烯基體結(jié)晶過程及其力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚丙烯，嵌段共聚丙烯，上海石化公司；

超細滑石粉，0.5～10 μm，意大利IMI FABI公司；

抗氧劑，瑞士Ciba公司。

1.2 儀器及設(shè)備

差示掃描量熱儀，DSC 822e型，瑞士Mettler-Toledo公司；

雙螺桿擠出機，螺桿直徑為35 mm，長徑比為40，昆山科信橡塑機械有限公司；

萬能材料試驗機，Zwick/Roell Z010型，德國Zwick公司；

沖擊試驗機，Zwick I型，德國Zwick公司；

熱變形溫度測定儀，HDT 300型，意大利Ceast公司。

1.3 試樣制備

按設(shè)定配方準確稱量各原料組分，將聚丙烯、超細滑石粉、少量抗氧劑等組分充分混合后加入雙螺桿擠出機，擠出后冷卻造粒，所制得樣品見表1。擠出機溫度設(shè)定為180～200 ℃，轉(zhuǎn)速為500 r/min。粒子經(jīng)干燥后在注射成型機上注射成型制樣。

表1 聚丙烯/超細滑石粉樣品

1.4 非等溫結(jié)晶動力學研究

采用差示掃描量熱儀對樣品進行非等溫結(jié)晶動力學研究，樣品質(zhì)量為8～10 mg，以10 K/min的升溫速率升溫至483 K，恒溫5 min消除熱歷史，再分別以5 K/min、10 K/min、20 K/min、40 K/min的速度降溫至313 K，記錄降溫過程中的熱焓變化。

1.5 力學性能測試

樣品密度測試按ISO 1183-1—2012 《塑料 非泡沫塑料的密度測定方法》標準進行；樣品拉伸性能測試按ISO 527-2—2012 《塑料 拉伸性能的測定》標準進行，試樣尺寸為170 mm×10 mm×4 mm，拉伸速度為50 mm/min；彎曲性能測試按ISO 178—2010 《塑料 彎曲性能的測定》標準進行，試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，跨距為64 mm，彎曲速度為2 mm/min；懸臂梁沖擊性能測試按ISO 180—2000 《塑料 懸臂梁沖擊強度的測定》標準進行，試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，缺口深度為試樣厚度的三分之一；熱變形溫度測試按ISO 75-2—2013 《塑料 負荷變形溫度的測定》標準進行，試樣尺寸為120 mm×10 mm×4 mm，載荷為0.45 MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚丙烯/超細滑石粉復合材料的非等溫結(jié)晶過程

圖1是聚丙烯及聚丙烯/超細滑石粉復合材料的DSC非等溫結(jié)晶曲線，降溫速率Φ分別為5 K/min、10 K/min、20 K/min、40 K/min。從圖1可以看出每個樣品的結(jié)晶曲線均具有相似的規(guī)律：隨著降溫速率的增大，結(jié)晶峰變寬，出峰位置及其所確定的峰值結(jié)晶溫度Tp逐漸向低溫方向移動。

(a) PP0

(b) PP1

(c) PP2

(d) PP3

結(jié)晶時間t時的相對結(jié)晶度Xt為：

(1)

式中：Hc為熱流量；T為任一時刻的結(jié)晶溫度；T0為結(jié)晶開始時的溫度；T∞為結(jié)晶結(jié)束時的溫度。

聚丙烯/超細滑石粉復合材料的相對結(jié)晶度與結(jié)晶溫度的關(guān)系曲線見圖2。

2.2 采用Jeziorny模型研究聚丙烯/超細滑石粉復合材料的非等溫結(jié)晶動力學

用于研究聚合物結(jié)晶動力學的理論模型有很多種，其中Avrami方程、Jeziorny方程、Ozawa方程和Mo方程在結(jié)晶動力學研究中應用最多。Avrami方程主要用于研究等溫結(jié)晶過程的初期結(jié)晶，經(jīng)Jeziorny修正后的方程可推廣到非等溫結(jié)晶動力學分析[2]。

主要用于等溫結(jié)晶動力學分析的Avrami方程具體形式為：

1-Xt=exp(-Kttn)

(2)

式中：Kt為等溫結(jié)晶速率常數(shù)；n為Avrami指數(shù)，與晶體成核和生長方式有關(guān)。

對式(2)兩邊取對數(shù)，可以得到：

ln[-ln(1-Xt)]=nlnt+lnKt

(3)

為了用結(jié)晶溫度來表示式(3)中的結(jié)晶時間，進行如下的時溫轉(zhuǎn)化：

t=(T-T0)/Φ

(4)

聚丙烯/超細滑石粉復合材料的相對結(jié)晶度與結(jié)晶時間的關(guān)系曲線見圖3，圖中還可以得到相對結(jié)晶度達到一半時所需時間t1/2，即半結(jié)晶時間。

根據(jù)式(3)可知，ln[-ln(1-Xt)]與lnt的關(guān)系曲線應為直線(見圖4)，其斜率即為Avrami指數(shù)n，截距為lnKt。針對非等溫結(jié)晶過程，用Jeziorny的方法[2]利用下式將等溫結(jié)晶速率常數(shù)Kt轉(zhuǎn)化為非等溫結(jié)晶速率常數(shù)Kc：

lnKc=lnKt/Φ

(5)

(a) PP0

(b) PP1

(c) PP2

(d) PP3

(a) PP0

(b) PP1

(c) PP2

(d) PP3

另外，根據(jù)Kissinger公式[25]可以計算出各樣品的表觀結(jié)晶活化能：

d[ln(Φ/Tp2)]/d(1/Tp)=-ΔE/R

(6)

式中：ΔE為表觀結(jié)晶活化能；Tp為峰值結(jié)晶溫度。

(c) PP2 (d) PP3

采用Jeziorny方法得到的動力學參數(shù)以及利用式(6)求得的ΔE見表2。

表2 聚丙烯/超細滑石粉復合材料的Jeziorny模型動力學參數(shù)

從表2可以看出：隨著降溫速率的加快，聚丙烯或聚丙烯/滑石粉復合材料的結(jié)晶速率逐漸加快，半結(jié)晶時間t1/2逐漸縮短。而在同樣的降溫速率下,加入滑石粉后的復合材料與PP0相比，結(jié)晶速率也有逐漸加快的趨勢，并隨著滑石粉粒徑的減小而越發(fā)明顯[26]，直至填料粒徑約為0.5 μm的PP3才開始變慢。

在滑石粉等無機填料加入后，一方面無機物顆?？梢云鸬疆愊喑珊藙┑淖饔肹6]，促進結(jié)晶成核，在成核控制為主的結(jié)晶初期加快結(jié)晶速率[27]；另一方面大量分散于樹脂基體內(nèi)的滑石粉片層顆粒也會不同程度的阻礙聚丙烯在結(jié)晶生長過程中的鏈段重排，在生長控制為主的結(jié)晶后期阻礙結(jié)晶[28]。隨著粉體粒徑的減小，基體內(nèi)分散的無機物顆粒數(shù)量逐漸增加，兩種互為競爭的影響趨勢均更加顯著，對結(jié)晶過程的綜合影響具有不確定性。結(jié)合表2中的t1/2和Kc數(shù)據(jù)可以看出：超細滑石粉的加入不同程度地加快了聚丙烯基體的結(jié)晶速率，粒徑越小這一趨勢越明顯，即促進結(jié)晶成核的效果占據(jù)優(yōu)勢，結(jié)晶速率得以加快，而對于滑石粉粒徑最小的樣品PP3，由于更多的滑石粉片層顆粒分散于聚丙烯基體中，阻礙結(jié)晶生長的趨勢開始占優(yōu)[28]，使得結(jié)晶速率開始呈下降趨勢。

在描述等溫結(jié)晶時，Avrami指數(shù)n通常與結(jié)晶成核機理及生長方式有關(guān)[1，29]，但如果用Avrami方程處理非等溫結(jié)晶過程，此時所得Avrami指數(shù)n被稱作表觀Avrami指數(shù)，其不與等溫結(jié)晶的Avrami指數(shù)n等價，物理意義并不明確，但可基于Mo模型來計算具有明確物理意義的Ozawa指數(shù)。

由于滑石粉促進結(jié)晶的原因，復合材料的結(jié)晶峰值溫度Tp隨滑石粉粒徑的減小而逐漸高于純聚丙烯[30]，由此計算出的表觀結(jié)晶活化能ΔE逐漸減小，可見滑石粉顆粒加入后起到了異相成核劑的作用，促進結(jié)晶的趨勢逐漸增加[21]。隨著粒徑的減小，界面間的相互作用逐漸加強[31]，使得聚丙烯在結(jié)晶過程中重排鏈段所需的能量逐漸減低；當粒徑小于0.5 μm時，結(jié)晶生長過程開始更明顯的受到大量滑石粉顆粒的抑制，因此PP3的結(jié)晶活化能與PP2相比變化不大。

過冷度ΔTc通常用于表征聚合物的結(jié)晶能力，定義為熔點Tm和結(jié)晶峰值溫度Tp的差值，ΔTc越小表明該聚合物的結(jié)晶能力越強[32]。表2中數(shù)據(jù)表明，隨著滑石粉的加入及其粒徑的逐漸減小，過冷度ΔTc逐漸變小，即結(jié)晶能力逐漸增強?；哿阶钚〉腜P3與PP2相比ΔTc變化不大，說明填料尺寸繼續(xù)減小對結(jié)晶能力的提高已經(jīng)作用不大，與前述的參數(shù)變化趨勢相互吻合。

2.3 采用Ozawa模型研究聚丙烯/超細滑石粉復合材料的非等溫結(jié)晶動力學

Ozawa方法也是由Avrami方程發(fā)展而來[1]，其基礎(chǔ)是假定非等溫結(jié)晶過程是由無限小的等溫結(jié)晶過程組成，由此得到等式如下：

1-Xt=exp(-κ(T)/Φm)

(7)

式中：κ(T)為降溫函數(shù)；m為Ozawa指數(shù)。

式(7)兩邊取對數(shù)，可以得到：

ln[-ln(1-Xt)]=lnκ(T)-mlnΦ

(8)

由此得到的ln[-ln(1-Xt)]-lnΦ曲線應為直線(見圖5)，其斜率可以得到Ozawa指數(shù)m，其物理意義與等溫結(jié)晶的Avrami指數(shù)n物理意義相同，由其截距可以得到降溫函數(shù)κ(T)。

由圖5可見：由Ozawa模型處理所得的ln[-ln(1-Xt)]-lnΦ曲線的線性關(guān)系較差，可知在降溫速率Φ的范圍較大的情況下，很難找到一個合適的溫度點，使得聚丙烯在每一種降溫速率下都能保持相近的結(jié)晶速率，也就無法得到理想的線性關(guān)系。因此在Φ的范圍較大時，用Ozawa模型處理非等溫結(jié)晶過程的方法并不適用。

2.4 采用Mo模型研究聚丙烯/超細滑石粉復合材料的非等溫結(jié)晶動力學

Mo等將Avrami方程和Ozawa方程聯(lián)立，用以處理非等溫結(jié)晶過程[5]，該方法克服了使用Ozawa方程常常出現(xiàn)非線性，不能獲得可靠動力學參數(shù)的缺點。由式(3)和式(8)可以得到：

nlnt+lnKt= lnκ(T)-mlnΦ

(9)

令F(T)=[κ(T)/Kt]1/m，α=n/m，則有：

lnΦ=ln(F(T))-αlnt

(10)

F(T)的物理意義為單位結(jié)晶時間內(nèi)達到一定結(jié)晶度所需的降溫速率，α則為非等溫結(jié)晶過程的表觀Avrami指數(shù)n與Ozawa指數(shù)m之比，由α和n可以求得具有明確物理意義的Ozawa 指數(shù)m。

聚丙烯/超細滑石粉復合材料的lnΦ-lnt曲線見圖6。由圖6可以看出：lnΦ與lnt的線性關(guān)系良好，由斜率和截距可分別求出α和F(T)，結(jié)果表3。

(a) PP0

(b) PP1

(c) PP2

(d) PP3

(a) PP0 (b) PP1

(c) PP2 (d) PP3

表3 聚丙烯/超細滑石粉復合材料的Mo模型動力學參數(shù)

由表3可知：F(T)隨著相對結(jié)晶度的增大而增大，即單位時間內(nèi)達到某一相對結(jié)晶度需要更快的降溫速率[5]。聚丙烯/滑石粉復合材料的F(T)小于純聚丙烯，并隨著滑石粉粒徑的減小而減小，表明隨著滑石粉的加入及粒徑的減小，聚丙烯基體達到某一相對結(jié)晶度所需的降溫速率越來越低，即結(jié)晶速率逐漸加快，此外同樣在滑石粉粒徑最小的PP3出現(xiàn)拐點，與Jeziorny模型的分析結(jié)果相互吻合。

利用表2中各樣品在不同變溫速率下的表觀Avrami指數(shù)n與表3中的α可以計算Ozawa指數(shù)m，計算結(jié)果見表4。由表4可以看出：m隨降溫速率的加快而變??；在降溫速率相等時，聚丙烯/超細滑石粉復合材料的m小于聚丙烯基料(PP0)，并隨著滑石粉粒徑的減小而逐漸減小，然后在粒徑約為0.5 μm(PP3)時轉(zhuǎn)而變大。以上趨勢與表2所反映的結(jié)晶速率變化趨勢相一致，m的減小意味著結(jié)晶生長的空間受限程度增大——結(jié)晶速率快時，結(jié)晶區(qū)域數(shù)目和尺寸增加更快，在空間上彼此競爭，因此受限程度大，m相對更??；結(jié)晶速率慢時，結(jié)晶區(qū)域數(shù)目和尺寸增加相對慢一些，空間競爭壓力小，受限程度小，所以m相對更大。

表4 聚丙烯/超細滑石粉復合材料的表觀Avrami指數(shù)和Ozawa指數(shù)

2.5 聚丙烯/超細滑石粉復合材料的力學性能

聚丙烯/超細滑石粉復合材料的主要力學性能和熱性能見表5。

表5 聚丙烯/超細滑石粉復合材料的力學性能和熱性能

由表5可以看出，材料引入無機填料后結(jié)晶行為的改變最終對力學性能也產(chǎn)生了影響：材料的拉伸強度、彎曲模量和熱變形溫度大都隨著滑石粉的加入及其粒徑的減小而呈逐漸增大的趨勢。隨著填料粒徑的減小，聚合物結(jié)晶能力逐漸增強[31]，有利于材料剛性的提高，同時兩相界面面積隨之增大，界面結(jié)合力提高，從而帶來拉伸強度和抗彎性能的改善。缺口沖擊強度則在加入粒徑較大的滑石粉后(PP1)下降，但隨著滑石粉粒徑的減小，PP2和PP3出現(xiàn)了剛性粒子增韌的效果，材料韌性反而有所提高，這說明填料粒徑的減小使得異相成核效應越發(fā)明顯，生成的晶粒更小，而較小的晶粒尺寸有利于材料韌性的提高[33]。另外，片層結(jié)構(gòu)的滑石粉顆粒加入可能降低了β晶向α晶轉(zhuǎn)變的趨勢，一定程度上促進了β晶的形成，從而改善了材料的抗沖擊性能。樣品PP2雖然具有較高的結(jié)晶速率和結(jié)晶趨勢，但并未表現(xiàn)出更高的相對結(jié)晶度，而樣品PP3由于所用填料粒徑最小，具有較高的界面結(jié)合力，因而表現(xiàn)出最優(yōu)的力學性能。

3 結(jié)語

(1) 非等溫結(jié)晶動力學的研究結(jié)果表明，聚丙烯中加入超細滑石粉可以加快結(jié)晶速率，同時隨著滑石粉粒徑的減小，非等溫結(jié)晶過程及其動力學參數(shù)逐漸向促進結(jié)晶的方向變化，當粒徑進一步減小時變化趨于平緩。

(2) 應用Jeziorny模型和Mo模型可以較理想地處理聚丙烯/超細滑石粉復合材料的非等溫結(jié)晶動力學數(shù)據(jù)，而Ozawa模型則在降溫速率范圍較大時不適用于該體系。

(3) 隨著超細滑石粉加入聚丙烯基體及填料尺寸的減小，復合材料的強度、剛性及耐熱性能逐漸提高，同時粒徑較小的滑石粉還對材料韌性的提高有所貢獻。