聚對苯二甲酸-己二酸乙二酯薄膜性能研究

徐長寶,黃洛瑋,宋 濤,陳建梅,2,司 虎,2

(1. 中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司研究院,江蘇儀征 211900;2. 江蘇省高性能纖維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇儀征 211900)

雙向拉伸聚對苯二甲酸乙二酯薄膜(BOPET)有良好的光學(xué)性能及優(yōu)良的機(jī)械性能,多應(yīng)用于包裝、電子等領(lǐng)域。目前有學(xué)者從聚酯原料改性、功能性母粒添加等方面入手[1],改善PET的光學(xué)、力學(xué)、阻隔、耐熱等性能,拓寬了聚酯薄膜在汽車材料、液晶屏用等領(lǐng)域的應(yīng)用。改性后的聚酯不再簡單的作為包裝膜使用,差異化賦予其更多的應(yīng)用,使其出現(xiàn)在光電保護(hù)、顯示、印刷等各個(gè)領(lǐng)域。想要進(jìn)一步拓展BOPET的應(yīng)用市場,除進(jìn)行原料改性外,研究加工工藝對薄膜性能的影響尤為重要。為深入研究薄膜性能與共聚酯結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,李鑫等[2]以己二酸為改性單體制備共聚酯,并對其化學(xué)結(jié)構(gòu)、熱性能、晶體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了分析研究,姚雅文等[3]對PEAT共聚酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)、熱性能、降解性能等進(jìn)行了研究,以往的研究主要集中于配方優(yōu)化及原料改性,而成膜工藝對改性共聚酯薄膜性能影響方面的研究較少。

本文研究己二酸改性共聚酯的加工工藝及其薄膜性能,通過調(diào)整拉伸溫度及拉伸速率的方式制備薄膜,利用取向度儀研究PEAT共聚酯薄膜的取向行為,并結(jié)合其力學(xué)性能探討高拉伸速率下的薄膜性能,分析拉伸溫度及拉伸速率對聚酯薄膜取向度、力學(xué)性能的影響,為改性聚酯的后加工評價(jià)及應(yīng)用提供一定的參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原料

對苯二甲酸(PTA),聚合級,中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司;乙二醇(EG),聚合級,中國石化揚(yáng)子石化;己二酸,聚合級,江蘇海力;乙二醇銻,工業(yè)級,江蘇大康公司。聚合物樣品性能如表1、表2所示。

表1 PET及PEAT的常規(guī)性能

表2 PET及PEAT的熱性能

1.2 儀器設(shè)備

20L聚合釜,德國富耐;三層流延擠出試驗(yàn)機(jī),LMCR-300型,瑞典-泰國LabTech公司;薄膜雙向拉伸機(jī),KARO Ⅳ型,德國Brukner公司;電子萬能材料試驗(yàn)機(jī),SANS CMT4104型,深圳新三思材料檢測有限公司;差示掃描量熱儀,DSC 7型,美國Perkin-Elmer公司;薄膜取向測試儀,SST-4000型,日本野村商事。

1.3 試驗(yàn)過程

1.3.1 聚酯制備

將PTA、EG、乙二醇銻置于20L聚合反應(yīng)釜中,氮?dú)庵脫Q三次后,在0.22～0.24 MPa下進(jìn)行酯化反應(yīng),待出水量達(dá)到理論出水量的90%時(shí),緩慢減壓進(jìn)入預(yù)縮聚階段,時(shí)間45 min,將釜內(nèi)液溫升至275～278 ℃,壓力100 Pa以內(nèi),進(jìn)行縮聚反應(yīng)。待功率達(dá)到指定值,出料切粒,得PET,在原料中增加己二酸,按照上述步驟,得PEAT。

1.3.2 薄膜制備

將干燥后的原料切片經(jīng)熔融擠出、流延成型制得平均厚度為0.4 mm的厚片,將其裁剪為100 mm×100 mm,利用雙向拉伸機(jī)進(jìn)行同步雙向拉伸制成薄膜。因PEAT玻璃化溫度較PET低約25 ℃,在不同溫度條件下對PET及PEAT進(jìn)行雙向拉伸,研究溫度、拉伸速率對薄膜工藝及薄膜性能的影響。

PET拉伸溫度為95、100、105、110、115 ℃,PEAT拉伸溫度為70、75、80、85、90 ℃。預(yù)熱時(shí)間25 s,PET薄膜拉伸速率為50、100、150、175%/s,PEAT薄膜拉伸速率為50、100、200、300%/s條件下進(jìn)行橫向及縱向4×4倍的同步雙向拉伸,制備聚酯薄膜。

1.4 分析測試

1.4.1 取向度測試

薄膜取向度采用薄膜片材取向儀測試,其測試原理是利用聲波在固體材料中傳播速度不同來反映材料的剛度,定義速度與剛度的關(guān)系,以此來表示薄膜的取向度大小,聲速(V)在物質(zhì)中傳播速度與楊氏模量、密度有關(guān),其關(guān)系式如式(1)。

(1)

式中E表示楊氏模量,GPa;σ表示泊松比;ρ表示密度,g/cm3。

式(1)中楊氏模量與速度二次冪成正比,定義抗拉剛度指數(shù)T=V2,T結(jié)果數(shù)值采用最小二乘法擬合,測量值越高,拉伸強(qiáng)度就越高。

(2)

式中C為所給固體介質(zhì)的密度ρ與泊松比σ的關(guān)系常數(shù)。

聲速法測取向度f的關(guān)系式:

(3)

式中f為取向度,V為聲速,km/s,Vu為無規(guī)取向時(shí)的聲速,km/s。

根據(jù)已知參數(shù)和聲速計(jì)算材料取向度,給定材料,則Vu為定值,此時(shí)V2與取向因子f為一次函數(shù)關(guān)系,則可以T值直接反應(yīng)取向度大小。

1.4.2 力學(xué)性能測試

將拉伸后的薄膜裁切成為100 mm×20 mm的樣條,在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上按照GB/T 1040.3—2006進(jìn)行測試,拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率結(jié)果取五組測試結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果與討論

為探究適合PET及PEAT的加工工藝,調(diào)整拉伸溫度、拉伸速率制備雙向拉伸薄膜,研究溫度及拉伸速率對薄膜性能的影響,通過薄膜拉伸行為、取向度、力學(xué)性能,比較PET及PEAT薄膜性能差異。

2.1 拉伸溫度對薄膜性能的影響

在拉伸速率100%/s、不同拉伸溫度的條件下制備薄膜,研究拉伸溫度對薄膜性能的影響。

2.1.1 薄膜的拉伸行為

在拉伸速率為100%/s的同步雙向拉伸過程中,研究拉伸溫度對厚片拉伸行為的影響。需要說明的是,縱向和橫向應(yīng)力變化趨勢一致,因此以縱向拉伸行為作為研究對象。

不同拉伸溫度條件下,PET及PEAT厚片拉伸過程中的最大拉力見圖1。隨著溫度的升高,兩種厚片的最大拉伸力均呈現(xiàn)下降趨勢,在加工溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的前提下,一方面提高拉伸溫度使分子鏈熱運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng),另外厚片充分的軟化更有利于拉伸。PEAT厚片在70 ℃時(shí)拉力最大,為18.7 N,而PET在95 ℃時(shí)拉力最大,為34.5 N,表明PEAT加工溫度較PET顯著降低,這是因?yàn)橐氲募憾峄鶊F(tuán)提高了分子鏈的柔順性,降低了PEAT的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[4],降低了分子鏈剛性,從而使大分子鏈空間位阻減小,因此在拉伸過程中表現(xiàn)為拉伸溫度降低、拉伸應(yīng)力減小,這在后道薄膜應(yīng)用過程中也有利于降低能耗。

PET及PEAT在拉伸過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2、圖3,隨著應(yīng)變的增大,拉伸應(yīng)力逐漸增大,這是因?yàn)樵诒∧だ爝^程中,分子鏈出現(xiàn)取向排列,需克服的內(nèi)應(yīng)力逐漸增大,接近應(yīng)變極限時(shí),應(yīng)力急劇上升;隨著溫度的升高,拉伸應(yīng)力逐漸減小,溫度越高,分子熱運(yùn)動(dòng)能力越強(qiáng),而拉伸PET時(shí),溫度大于105 ℃,應(yīng)變不斷擴(kuò)展,拉伸應(yīng)力處于幾乎無變化的平臺期,升高溫度,樣品在應(yīng)力較小便可進(jìn)行高彈形變,持續(xù)升高溫度,則較小應(yīng)力可使PET達(dá)到應(yīng)變極限,使曲線出現(xiàn)較長平臺期。PEAT薄膜拉伸應(yīng)力小于PET且拉伸曲線無急劇上升,引入的己二酸柔性分子減弱了分子鏈的剛性,使鏈段滑移相對簡單,拉伸應(yīng)力小于PET。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)相比PET應(yīng)力變化,PEAT整體拉伸過程與高溫下拉伸PET相似。

圖1 不同拉伸溫度下的聚酯薄膜拉伸力

圖3 PEAT應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.1.2 薄膜的取向度

圖4為不同溫度條件下薄膜的取向度變化趨勢。隨著溫度的升高,PEAT薄膜及PET薄膜取向度均逐步降低。這是因?yàn)殡p向拉伸薄膜的實(shí)際取向是由取向和解取向共同決定的[5],固定拉伸倍數(shù),升高溫度加劇了高分子鏈段的解取向程度,導(dǎo)致了薄膜的實(shí)際取向度降低。

圖4 不同溫度下聚酯薄膜取向度

2.1.3 薄膜的力學(xué)性能

不同溫度條件下薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的變化趨勢見圖5、圖6,隨著溫度的升高,PET及PEAT薄膜拉伸強(qiáng)度均呈下降趨勢,這是因?yàn)楸∧さ睦鞆?qiáng)度與薄膜中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的取向和結(jié)晶緊密相關(guān)[6],升高溫度,高分子鏈段更容易沿著外力方向進(jìn)行有序排列,但同時(shí)會(huì)使高分子鏈的自發(fā)解取向程度更高[7],實(shí)際取向度降低,導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度下降,這與王玉合等[8]研究結(jié)果基本相符。

圖5 溫度對薄膜拉伸強(qiáng)度的影響

圖6 溫度對薄膜斷裂伸長率的影響

隨著溫度升高,PET及PEAT薄膜斷裂伸長率逐漸增大,但PEAT薄膜在拉伸溫度90 ℃時(shí),斷裂伸長率驟降至5%,因?yàn)樯邷囟?分子鏈解纏結(jié)能力增強(qiáng),鏈段間更易產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng),表現(xiàn)為斷裂伸長率升高,而在拉伸溫度90 ℃時(shí),PEAT可能因溫度過高,薄膜結(jié)晶明顯,妨礙了聚合物分子鏈的滑移與變形,不發(fā)生屈服即斷裂,導(dǎo)致斷裂伸長率小于5%。拉伸強(qiáng)度相當(dāng)時(shí),PET薄膜斷裂伸長率為112%,而PEAT薄膜可達(dá)147%。

2.2 拉伸速率對薄膜性能的影響

PET在100 ℃、PEAT在70 ℃、不同拉伸速率條件下制備薄膜,研究拉伸速率對薄膜性能的影響。

2.2.1 薄膜的拉伸行為

PET及PEAT薄膜不同拉伸速率時(shí)最大拉伸力見圖7。隨著拉伸速率的提高,兩種厚片最大拉伸力均呈上升趨勢,這是因?yàn)樗俾试龃?導(dǎo)致鏈段松弛速度小于拉伸速度;PEAT薄膜的拉力增幅相對平緩,可能因?yàn)榉肿渔溔嵝蕴岣?使得拉伸所需外力增幅較小。

圖7 不同拉伸速率時(shí)拉伸力的變化

最低溫度條件下,PET及PEAT不同拉伸速率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖8、圖9,隨著拉伸速率的增大,PET及PEAT的應(yīng)力均隨著應(yīng)變的增加而增大,因?yàn)樵龃罄焖俾?分子鏈段松弛時(shí)間縮短,導(dǎo)致應(yīng)力增大。

圖8 PET應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖9 PEAT應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2.2 薄膜取向度

不同拉伸速率薄膜的取向度變化趨勢見圖10。隨著拉伸速率升高,PET及PEAT薄膜取向度均逐步增大,拉伸速率提高,分子鏈段松弛縮短,應(yīng)力增大,致使取向度增大。PEAT薄膜在拉伸速率300%/s時(shí)取向度3.75,而PET薄膜在拉伸速率200%/s時(shí)取向度4.24,PEAT薄膜取向度較PET偏低,因?yàn)榧憾崛嵝苑肿邮规湺位葡鄬唵?取向所需應(yīng)力較小,這使PEAT可拉伸性相對PET有較大提高,且在高速率下拉伸不會(huì)出現(xiàn)破膜現(xiàn)象。

圖10 拉伸速率對薄膜取向度的影響

圖11為拉伸力相同時(shí)拉伸速率對薄膜取向度的影響。

圖11 相同拉伸力下不同拉伸速率的薄膜取向度

隨著拉伸速率升高,PET及PEAT薄膜取向度均逐步增加,因?yàn)樵龃罄焖俾?鏈段松弛速度小于拉伸速度,內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)無法及時(shí)解纏結(jié),使應(yīng)力升高,取向度增大。PET取向斜率為0.002 4,與圖10相比,增幅相對平緩,因拉伸時(shí)的外力大小在分子鏈段取向時(shí)起主要作用,拉伸力相近,導(dǎo)致取向變化幅度接近。

2.2.3 薄膜力學(xué)性能

圖12、圖13為拉伸速率對薄膜力學(xué)性能的影響。

圖12 拉伸速率對PET薄膜力學(xué)性能的影響

圖13 拉伸速率對PEAT薄膜力學(xué)性能的影響

隨拉伸速率的升高,PET及PEAT薄膜的拉伸強(qiáng)度呈上升趨勢,徐萌等[9]認(rèn)為雙向拉伸過程中拉伸速率過慢會(huì)使得薄膜中的晶體沿外力方向上的取向較弱,應(yīng)力誘導(dǎo)取向結(jié)晶效應(yīng)減弱;增大拉伸速率,應(yīng)力增大,取向度增大,拉伸強(qiáng)度升高。增大拉伸速率,PET薄膜斷裂伸長率逐步下降,PEAT薄膜的斷裂伸長率基本無影響,因?yàn)樯呃焖俾?分子鏈段運(yùn)動(dòng)速度小于外力作用速度,相對低速拉伸PET,表現(xiàn)脆性行為,而PEAT引入的己二酸柔性分子,使材料韌性保持較好,斷裂伸長率無明顯變化。持續(xù)提高拉伸速率,PEAT薄膜保持較高斷裂伸長率的同時(shí),拉伸強(qiáng)度不斷增大,顯示了良好的力學(xué)性能,可使其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。

圖14為所測薄膜T值與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系,隨T值的增大,拉伸強(qiáng)度逐漸增大,且PET及PEAT薄膜取向度增幅近乎一致,T值與聲速二次冪成正比,T值越大,拉伸強(qiáng)度越大,在進(jìn)行材料加工評價(jià)時(shí),可直接測試T值反映材料拉伸強(qiáng)度的大小。

圖14 取向度與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系

3 結(jié) 論

a) 在研究范圍內(nèi),拉伸溫度升高時(shí),PET及PEAT薄膜取向度及拉伸強(qiáng)度均逐步下降;PET薄膜斷裂伸長率逐步升高,PEAT薄膜斷裂伸長率在85 ℃時(shí)達(dá)到最大230%,繼續(xù)升高溫度至90 ℃時(shí),驟降至5%。

b) 在研究范圍內(nèi),拉伸速率升高時(shí),PET及PEAT薄膜取向度及拉伸強(qiáng)度均逐步增大;PET薄膜斷裂伸長率不斷減小,但PEAT薄膜斷裂伸長率幾乎不受拉伸速率的影響。

c) PET及共PEAT在拉伸力相同時(shí),提高拉伸速率,薄膜取向度變化較小。

d) PEAT的加工溫度相比PET低約25 ℃,在70 ℃即可拉伸,且拉伸速率可達(dá)300%/s,拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率均優(yōu)于PET薄膜;在拉伸強(qiáng)度相當(dāng)時(shí),PET薄膜斷裂伸長率為112%,而PEAT可達(dá)147%。