孟 鑫,范 敏,童闖闖,李 超,高 津,辛 忠?
(華東理工大學(xué)化工學(xué)院,上海市多相結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,產(chǎn)品工程系,上海 200237)
聚丙烯(PP)因力學(xué)性能好、密度低、無(wú)毒、易加工等特性,被廣泛應(yīng)用在汽車、建筑、紡織、食品以及生物醫(yī)療等眾多領(lǐng)域[1-3]。如何保證PP在不同應(yīng)用領(lǐng)域的性能要求,是此類材料應(yīng)用的關(guān)鍵。PP是一種半結(jié)晶型聚合物,其性能受結(jié)晶過(guò)程影響明顯,可以通過(guò)對(duì)其結(jié)晶過(guò)程的調(diào)控實(shí)現(xiàn)性能的改善[4-5]。成核改性可以大幅提升PP的結(jié)晶溫度和結(jié)晶速率,改善其力學(xué)性能,滿足應(yīng)用需求,自然成為高性能PP制備的重要方法[6-7]。
如圖1所示,2,2'-亞甲基雙(4,6-二叔丁基苯基)磷酸鈉(NA11)是典型的PP α成核劑[8-9],其成核機(jī)理的研究表明:雖然NA11的前驅(qū)體2,2'-亞甲基雙(4,6-二叔丁基苯基)磷酸酯(MBP)在PP中團(tuán)聚嚴(yán)重,無(wú)法發(fā)揮成核作用,但是當(dāng)其反應(yīng)形成NA11后,可以通過(guò)鈉離子半徑控制分子當(dāng)中的有機(jī)苯環(huán)進(jìn)行有效的分散排列,形成與PP具有良好晶格匹配關(guān)系的結(jié)構(gòu),從而顯著提高PP的剛性[10-12]。也就是說(shuō)對(duì)于此類成核劑而言,通過(guò)一定的方式對(duì)有機(jī)苯環(huán)進(jìn)行分散排列是其發(fā)揮成核作用的關(guān)鍵。但同時(shí),研究人員還發(fā)現(xiàn)NA11在提升PP剛性的同時(shí),會(huì)引起PP韌性的下降:添加0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)NA11的iPP體系,彎曲模量相比于純iPP提高了29.3%,然而沖擊強(qiáng)度降低了13.3%[13-14]。因此,如何在保證PP剛性提升的同時(shí),又不影響PP的韌性,成為此類成核劑研究和開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。即如能夠通過(guò)合適的方式選擇,在對(duì)MBP進(jìn)行分散排列的同時(shí)實(shí)現(xiàn)其對(duì)PP韌性提升的促進(jìn)作用,則可以得到新的剛韌平衡成核體系。
圖1 NA11和MBP的分子結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structure of NA11 and MBP
分子篩作為一種特殊的無(wú)機(jī)填料,不僅具備大的比表面積和高度有序的孔結(jié)構(gòu),為進(jìn)行其他物質(zhì)的負(fù)載分散創(chuàng)造了良好的條件[15-16]。而且可以有效提高PP的韌性,如A類分子篩-1和A類分子篩-2的引入均可以使得iPP的沖擊強(qiáng)度提升,特別是在低含量范圍內(nèi),提升作用明顯,僅添加1%的A類分子篩-1和A類分子篩-2均可以使得iPP體系的沖擊強(qiáng)度相比于純iPP提高27.0%左右[17-18]。因此,基于以上分析,本文選用4種分子篩來(lái)負(fù)載分散MBP,希望通過(guò)對(duì)MBP的分散實(shí)現(xiàn)剛韌平衡成核體系的構(gòu)筑,進(jìn)而為成核體系的研發(fā)提供一條新的思路。
iPP,粉料,S1003,神華榆林能源化工有限公司;
A類分子篩-1、A類分子篩-2、B類分子篩-2,工業(yè)級(jí),上海久宙化學(xué)品有限公司;
B類分子篩-1,工業(yè)級(jí),江蘇先豐納米材料科技有限公司;
MBP,工業(yè)級(jí),上海晟磐新材料科技有限公司;
抗氧劑,1010、168,工業(yè)級(jí),上海易恩化學(xué)試劑有限公司;
硬脂酸鈣,工業(yè)級(jí),國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
雙螺桿擠出機(jī),SJSH-30,南京橡塑機(jī)械廠有限公司;
注塑機(jī),CJ80E,震德塑料機(jī)械有限公司;
差示掃描量熱儀(DSC),Q2000,美國(guó)TA有限公司;
微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),CMT4204,美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司;
擺錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī),ZBC1400-B,美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司;
超薄切片機(jī),RM2265,德國(guó)Leica公司;
掃描電子顯微鏡(SEM),Nova SEM 450,美國(guó)FEI公司。
成核體系的制備:將MBP置于120℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥24 h,不同分子篩在450℃馬弗爐中煅燒5 h,待馬弗爐降溫至270℃取出置于干燥器內(nèi)自然冷卻,待用。首先,將2 g的MBP完全溶解在200 mL溶劑中(V乙醇∶V去離子水=9∶1),并在室溫下攪拌30 min;接著,分別添加2 g不同分子篩后,繼續(xù)攪拌3 h;最后,通過(guò)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將多余溶劑蒸掉并將產(chǎn)物在80℃真空烘箱中干燥24 h,即獲得不同分子篩負(fù)載的成核體系,分別命名為MBP-A-zeolite-1、MBP-A-zeolite-2、MBP-B-zeolite-1和MBP-B-zeolite-2。
成核PP樣品的制備:首先,在MBP和分子篩的總添加量相對(duì)于iPP為0.2%的情況下,兩者分別按1∶1的質(zhì)量比添加到已添加有0.1%1010和0.1%168以及0.05%硬脂酸鈣的1 kg iPP粉料當(dāng)中,制備得到不同分子篩負(fù)載MBP的iPP體系,分別命名為iPP/MBP-A-zeolite-1、iPP/MBP-A-zeolite-2、iPP/MBP-B-zeolite-1和iPP/MBP-B-zeolite-2。此外,未添加任何成核劑的聚丙烯體系iPP和只加入0.1%MBP的iPP體系iPP/MBP分別作為對(duì)照樣進(jìn)行制備。接著,PP體系置于雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行擠出造粒,擠出機(jī)一段~七段溫度分別為190、200、200、200、200、200、190 ℃,喂料螺桿轉(zhuǎn)速為20 r/min,主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速為200 r/min。然后,將造粒后的iPP粒料置于室溫下干燥48 h后在注塑機(jī)中進(jìn)行注塑,注塑機(jī)一段~三段的溫度分別為205、200、185℃,注射壓力為120 MPa,注射時(shí)間為15 s,保壓時(shí)間為20 s,冷卻時(shí)間為25 s。最后,所有注塑樣條在進(jìn)行后續(xù)表征前均于室溫下放置48 h以消除應(yīng)力。
成核iPP刻蝕樣品的制備:將MBP和不同分子篩負(fù)載的成核體系按照5%的含量加入1 kg的iPP中,此外,每份iPP當(dāng)中添加0.1%1010和0.1%168和0.05%硬脂酸鈣,擠出和注塑工藝參數(shù)和成核PP樣品制備相同。將消除應(yīng)力的沖擊樣條用超薄切片機(jī)切成100 μm厚的薄片,然后把iPP薄片置于乙醇溶液中浸泡24 h。最后,取出干燥后進(jìn)行SEM表征。
結(jié)晶性能測(cè)試:稱取3~5 mg聚丙烯樣品,置于DSC鋁制樣品皿當(dāng)中。氮?dú)鈿夥障略?0℃進(jìn)行平衡,以50℃/min的升溫速率升溫到200℃,恒溫5 min以消除樣品熱歷史,然后以10℃/min的速率降至40℃,最后以10℃/min速率再次升至200℃,記錄過(guò)程中的結(jié)晶和二次熔融曲線;
非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)測(cè)試:樣品制備過(guò)程與結(jié)晶性能測(cè)試相同,以50℃/min的升溫速率升溫到200℃,恒溫5 min以消除樣品熱歷史,然后分別以不同的降溫速率(2.5、5、10、20、30℃/min)降溫到40℃,記錄降溫過(guò)程中的結(jié)晶曲線,之后升溫速率均為10℃/min;
SEM分析:將MBP、A類分子篩-1、B類分子篩-1、成核體系MBP-A-zeolite-1、MBP-B-zeolite-1顆粒和刻蝕好的成核體系改性iPP薄片樣品放入銅網(wǎng)樣品盤(pán)中鍍金,使用SEM進(jìn)行成核劑顆粒形貌以及在聚丙烯當(dāng)中分散狀況的表征,加速電壓為3 kV;
拉伸性能按照ASTM D638-00測(cè)試,拉伸速率為50 mm/min;
彎曲性能按照ASTM D790-10測(cè)試,彎曲速率為1.3 mm/min;
沖擊性能按照ASTM D256-00測(cè)試,懸臂梁模式,V形缺口,擺錘能量為2.75 J。
如圖2所示是4種不同分子篩負(fù)載MBP對(duì)iPP結(jié)晶熔融曲線的影響,表1列出來(lái)對(duì)應(yīng)的結(jié)晶數(shù)據(jù),其中,結(jié)晶度Xc采用式(1)進(jìn)行計(jì)算:
圖2 不同分子篩負(fù)載MBP成核體系改性iPP的DSC曲線Fig.2 DSC curves of iPP/MBP-zeolite system
表1 結(jié)晶性能相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.1 Crystallization performance
式中 ΔHm——iPP二次熔融時(shí)的焓值,J/g
ΔHf——PP 100%結(jié)晶度時(shí)的熔融焓值,209 J/g
Xc——iPP的結(jié)晶度,%
從圖2和表1中可以看出iPP結(jié)晶溫度只有119.4℃,加入0.1%MBP后為120.0℃,即MBP對(duì)iPP結(jié)晶溫度提升有限;MBP-B-zeolite-1和MBP-B-zeolite-2的加入也僅僅使得iPP結(jié)晶溫度達(dá)到120.4℃,仍然沒(méi)有產(chǎn)生較大變化;而MBP-A-zeolite-1和MBP-A-zeolite-2加入后,不僅使得iPP的結(jié)晶溫度發(fā)生了比較明顯的提升,分別達(dá)到了129.8℃和126.0℃,上升了10.4℃和6.6℃;而且也促使iPP的結(jié)晶度從31.8%增加至36.6%和35.2%。即A類分子篩-1和A類分子篩-2對(duì)MBP的負(fù)載,大大提升了MBP在iPP中的成核性能。此外,如圖2(b)所示,不同iPP熔融曲線可以看出,不管MBP還是分子篩負(fù)載MBP的引入,iPP的熔融峰均在162℃左右,說(shuō)明成核體系均對(duì)iPP晶型沒(méi)有影響,仍保持α晶型[19]。
圖3則是不同分子篩負(fù)載MBP成核體系對(duì)iPP力學(xué)性能的影響??梢钥闯觯患尤隡BP的iPP體系,力學(xué)性能沒(méi)有任何提升,拉伸強(qiáng)度甚至有所下降。MBP-B-zeolite-1和MBP-B-zeolite-2的加入對(duì)iPP力學(xué)性能的提升也非常有限。而MBP-A-zeolite-1和MBP-A-zeolite-2的加入則對(duì)iPP的剛性和韌性均有提高作用:彎曲模量從純iPP的1 217 MPa分別提高至1 581 MPa和1375MPa;拉伸強(qiáng)度從35.6MPa分別提高至39.5MPa和37.0 MPa;沖擊強(qiáng)度相比于純iPP的39.5 J/m,分別提升至42.8 J/m和42.3 J/m。即MBP-A-zeolite-1和MBP-A-zeolite-2的加入在提高iPP剛性的同時(shí),有效提升了iPP的韌性。
圖3 不同分子篩負(fù)載MBP成核體系對(duì)iPP力學(xué)性能的影響Fig.3 Mechanical properties of iPP/MBP-zeolite system
以上結(jié)果可以看出,使用不同分子篩負(fù)載MBP的成核體系,MBP-B-zeolite-1和MBP-B-zeolite-2對(duì)iPP結(jié)晶性能和力學(xué)性能的提升作用有限;而MBP-A-zeolite-1和MBP-A-zeolite-2不僅對(duì)iPP結(jié)晶性能有所改善,并且對(duì)iPP的剛性和韌性均有提升作用,起到了有效的剛韌平衡作用。
使用分子篩對(duì)MBP進(jìn)行負(fù)載可以得到對(duì)iPP結(jié)晶性能具有不同影響的成核體系,自然會(huì)對(duì)iPP的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過(guò)程產(chǎn)生影響。為深入從動(dòng)力學(xué)角度揭示不同成核體系的添加對(duì)iPP結(jié)晶性能的影響,分別選取成核性能差異明顯的iPP/MBP-B-zeolite-1和iPP/MBP-A-zeolite-1進(jìn)行非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的研究,并與iPP進(jìn)行對(duì)照。
如圖4所示是3種不同體系的iPP在不同降溫速率下的結(jié)晶曲線,可以發(fā)現(xiàn):隨著降溫速率的增加,3個(gè)樣品的結(jié)晶峰溫度都向低溫方向移動(dòng)(如表2所示),這是因?yàn)閕PP的結(jié)晶需要經(jīng)歷分子鏈的折疊、旋轉(zhuǎn)、排列等過(guò)程,而這些過(guò)程需要花費(fèi)一定的時(shí)間,當(dāng)冷卻速率增加時(shí),iPP的分子鏈段還沒(méi)有來(lái)得及排列進(jìn)入晶格,就已經(jīng)進(jìn)入較低的溫度,從而導(dǎo)致樣品達(dá)到最快結(jié)晶速率的峰值溫度降低;此外,在相同冷卻速率下,分子篩負(fù)載成核體系的結(jié)晶峰溫度都比空白iPP的結(jié)晶溫度高,如在10℃/min的冷卻速率下,iPP、iPP/MBP-B-zeolite-1和iPP/MBP-A-zeolite-1結(jié)晶峰溫度分別為120.3℃、121.3℃和129.8℃,這是因?yàn)槌珊梭w系為iPP的結(jié)晶提供了異相晶核,促進(jìn)了結(jié)晶。同時(shí),iPP/MBP-B-zeolite-1和iPP/MBP-A-zeolite-1相比,后者結(jié)晶溫度更高,表明A類分子篩-1負(fù)載對(duì)于MBP在iPP中成核效果促進(jìn)作用更大。
圖4 3種不同iPP系統(tǒng)在不同降溫速率下的結(jié)晶曲線Fig.4 Crystallization curves of three different systems of iPP at different cooling rates
表2 3種不同iPP體系在不同降溫速率下的結(jié)晶溫度和半結(jié)晶時(shí)間Tab.2 Tcand t1/2of three different systems of iPP at different cooling rates
通過(guò)對(duì)不同iPP體系的結(jié)晶曲線進(jìn)行積分處理就可以得到如圖5所示的不同結(jié)晶溫度下對(duì)應(yīng)的相對(duì)結(jié)晶度X(T),相對(duì)結(jié)晶度用式(2)計(jì)算:
圖5 3種不同體系的相對(duì)結(jié)晶度隨溫度的關(guān)系曲線Fig.5 Relative crystallinity of three different systems as a function of temperature
式中X(T)——相對(duì)結(jié)晶度,%
T0——開(kāi)始結(jié)晶時(shí)的溫度,℃
T——時(shí)間為t時(shí)的溫度,℃
Tf——結(jié)晶結(jié)束時(shí)的溫度,℃
Hc——結(jié)晶焓,J/g
基于圖5所示3種不同iPP的相對(duì)結(jié)晶度隨溫度的關(guān)系曲線,以及式(3)可以得到表征聚合物結(jié)晶快慢的重要參數(shù)——半結(jié)晶時(shí)間(t1/2),其結(jié)果列于表2。
式中i——降溫速率,℃/min
從表2所示3個(gè)不同iPP的t1/2的比較可以發(fā)現(xiàn):在相同的降溫速率下,MBP的引入,使得iPP的t1/2時(shí)間縮短,如當(dāng)降溫速率為10℃/min時(shí),iPP的t1/2為49.8 s,iPP/MBP-B-zeolite-1 和iPP/MBP-A-zeolite-1則分別降到43.6 s和31.3 s,即成核體系的加入都不同程度地縮短了iPP的t1/2,特別是MBP-A-zeolite-1的加入影響明顯,即起到有效地促進(jìn)iPP結(jié)晶的作用。
活化能可以表示iPP結(jié)晶的難易程度,評(píng)估成核劑的成核作用。本文采用Friedman法[20]進(jìn)行3種iPP體系結(jié)晶活化能的計(jì)算,根據(jù)Friedman方法,活化能可以通過(guò)式(4)計(jì)算得出:
式中 R——通用氣體常數(shù),8.314 J/(mol?K)
ΔEX——在X時(shí)的活化能,kJ/mol
C——常數(shù)
根據(jù)此方法,首先采用相對(duì)結(jié)晶度X對(duì)時(shí)間t微分。接著,在某一相對(duì)結(jié)晶度X下,求得不同冷卻速率i下 的dXdt值以及相應(yīng)的1TX,i。最后,采用對(duì)1TX,i作圖,得到斜率,則活化能ΔEX=-Rk。在相對(duì)結(jié)晶度為10%時(shí),不同iPP的Friedman曲線如圖6所示??梢钥闯鲈诖私Y(jié)晶度下呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)性,這說(shuō)明Friedman方法非常適合進(jìn)行此成核體系活化能的計(jì)算。此外,按照此種方法得到不同相對(duì)結(jié)晶度下的結(jié)晶活化能,結(jié)果如圖7所示。從圖6和圖7可以看出:在相對(duì)結(jié)晶度為10%的初期成核過(guò)程,成核體系的添加促使iPP的結(jié)晶活化能降低,特別是MBP-A-zeolite-1,其促使iPP結(jié)晶活化能從-224.6 kJ/mol下降到-359.7 kJ/mol,明顯低于iPP/MBP-B-zeolite-1的-256.6 kJ/mol的活化能,下降顯著,說(shuō)明MBP-A-zeolite-1的加入對(duì)iPP成核過(guò)程體現(xiàn)明顯的促進(jìn)作用;此外,隨著相對(duì)結(jié)晶度的提高,3種體系的活化能都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),這表明隨著結(jié)晶度的提高結(jié)晶越來(lái)越困難;而iPP-MBP-A-zeolite-1體系從初期成核到后期晶體生長(zhǎng)過(guò)程的結(jié)晶活化能均比空白iPP和iPP-MBPB-zeolite-1體系低,更進(jìn)一步說(shuō)明MBP-A-zeolite-1有效降低了iPP的結(jié)晶能壘,從而促進(jìn)了結(jié)晶。
圖6 3種iPP系統(tǒng)的Friedman曲線Fig.6 Friedman curves of three iPP samples
圖7 3種iPP體系的相對(duì)結(jié)晶度與活化能的關(guān)系曲線Fig.7 Activation energy as a function of relative crystallinity curves of three iPP samples
從不同分子篩負(fù)載MBP成核iPP的結(jié)晶性能、力學(xué)性能和結(jié)晶動(dòng)力學(xué)結(jié)果可以看出,不同分子篩對(duì)MBP在iPP當(dāng)中成核性能的發(fā)揮具有明顯差異,可能與分子篩的負(fù)載對(duì)MBP的分散有關(guān),因此,采用SEM對(duì)2種成核體系進(jìn)行形貌觀察。
如圖8所示為MBP、A類分子篩-1、B類分子篩-1、MBP-A-zeolite-1和MBP-B-zeolite-1粉末的SEM照片,可以看出MBP本身形狀不規(guī)則,有塊狀和棒狀,并且粒徑分布極為不均勻,最大可以達(dá)到60 μm以上,表明MBP顆粒容易團(tuán)聚、尺寸較大;A類分子篩-1顆粒粒徑分布均勻,大小為2~4 μm,采用其進(jìn)行MBP的負(fù)載后,其顆粒仍然分布比較均勻,表明MBP通過(guò)附著在A類分子篩-1表面進(jìn)行均勻分布,A類分子篩-1添加后提高了MBP的分散性;而B(niǎo)類分子篩-1本身粒徑雖然也在2~3 μm,但其為不規(guī)則的團(tuán)聚狀,浸漬MBP后呈現(xiàn)不規(guī)則的黏連團(tuán)簇物,由此推斷不能對(duì)MBP起到有效分散作用。
圖8 MBP、A-zeolite-1、B-zeolite-1、MBP-A-zeolite-1和MBP-B-zeolite-1粉末的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM of MBP,A-zeolite-1,B-zeolite-1,MBP-A-zeolite-1 and MBP-B-zeolite-1 particles
如圖9所示為刻蝕iPP薄片的SEM照片,在iPP/MBP、iPP/MBP-A-zeolite-1和iPP/MBP-B-zeolite-1薄片中,MBP被乙醇刻蝕掉,在薄片表面留下孔,這些反映了MBP在iPP中的分散狀況。可以看出僅添加MBP的iPP薄片上孔的孔徑比較大,可以達(dá)到50 μm左右,表明MBP在iPP中團(tuán)聚嚴(yán)重;而iPP/MBP-A-zeolite-1薄片中出現(xiàn)的孔的尺寸明顯減小,大概到3 μm左右,說(shuō)明A類分子篩-1的引入確實(shí)起到了有效提高M(jìn)BP分散性的作用;而iPP/MBP-B-zeolite-1薄片當(dāng)中的刻蝕后孔洞尺寸則超過(guò)10 μm,表明B類分子篩-1對(duì)MBP的分散作用明顯弱于A類分子篩-1。
圖9 iPP/MBP、iPP/MBP-A-zeolite-1和iPP/MBP-B-zeolite-1樣品的刻蝕SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM of iPP/MBP,iPP/MBP-A-zeolite-1 and iPP/MBP-B-zeolite-1 samples after etching
綜上所述,使用A類分子篩-1負(fù)載MBP,可以使其顆粒尺寸減小,并且促進(jìn)其在iPP中的有效分散,因此能起到良好的成核效果;而B(niǎo)類分子篩-1對(duì)MBP的負(fù)載分散作用則明顯弱于A類分子篩-1,由此導(dǎo)致MBP在iPP中仍以部分團(tuán)聚狀態(tài)存在,無(wú)法體現(xiàn)優(yōu)良的成核性能。
(1)不同分子篩負(fù)載MBP對(duì)iPP的成核效果不同,B類分子篩-1和B類分子篩-2負(fù)載MBP對(duì)iPP成核性能和力學(xué)性能提升有限,而A類分子篩-1和A類分子篩-2負(fù)載MBP后,既將iPP的結(jié)晶溫度分別提高了10.4℃和6.6℃左右,也同時(shí)有效改善了其剛性和韌性(彎曲模量分別提高了29.9%和13.0%,沖擊強(qiáng)度分別提高了8%和7%);
(2)從初期成核到后期晶體生長(zhǎng)的整個(gè)過(guò)程,iPPMBP-A-zeolite-1體系的結(jié)晶活化能均低于iPP和iPPMBP-B-zeolite-1體系,這表明A類分子篩-1負(fù)載MBP具有良好的成核效果,可有效提高iPP的結(jié)晶性能;
(3)MBP樣品的形狀不規(guī)則,尺寸分布很寬,并且伴隨著團(tuán)聚現(xiàn)象,A類分子篩-1負(fù)載MBP形狀較規(guī)則,MBP均勻分布,尺寸大幅下降,說(shuō)明A類分子篩-1起到分散MBP的效果;B類分子篩-1本身粒徑雖然也在2~3 μm,但易于團(tuán)聚,表現(xiàn)為不規(guī)則的聚集態(tài),MBP浸漬后,仍然表現(xiàn)出聚集態(tài),無(wú)法有效分散MBP,進(jìn)而不能大幅度提升其成核性能。