熔体结构对注射成型高密度聚乙烯及其复合材料形态结构性能的影响

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聚合物结晶过程包括晶核形成和晶体生长两个阶段。通过控制聚合物的温度场,使聚合物部分熔融,熔体中含有残余晶体等有序结构。残余晶体或有序结构会作为晶核,促进熔体结晶过程,这种现象称为自成核效应。目前,很多文献都报道了自成核效应的作用机理,但是这些研究都是在实验室精确控温的热台上进行的,很少有报道自成核效应对实际加工制品结构性能的影响。在本文中,我们通过改变高密度聚乙烯(HDPE)及高密度聚乙烯/多壁碳纳米管(HDPE/MWCNTs)的温度场,改变其熔体结构,将自成核效应应用到了注射成型中。并通过扫描电镜(SEM),广角X射线衍射(WAXD),小角X射线散射(SAXS),差示扫描量热仪(DSC)等研究了不同熔体结构对注射成型试样微观结构的影响,并进一步研究了其对宏观力学性能的影响。主要包括以下两个方面:  (1)采用原位傅里叶转换红外光谱(FTIR)和差示扫描量热仪(DSC)研究了部分熔融高密度聚乙烯(HDPE)熔体的结晶动力学。结果表明,部分熔融的HDPE熔体中,存在未完全熔融的晶体,这些晶体在结晶过程中会作为成核点,诱导分子链结晶。这种自成核效应提高了熔体的结晶起始温度,缩短了半结晶时间,促进了结晶过程。然后,对注射成型试样的微观结构进行了表征。结果表明,部分熔融熔体的注射成型试样的剪切层形成了大量的shish-kebab结构,芯层的球晶尺寸更小且更加密集。这是由于部分熔融熔体中残余的晶核作为成核点,即点状前驱体,在填充过程中,流动剪切力会促进线状前驱体的形成。线状前驱体在随后的结晶过程中会形成 shish,继而诱导 kebab的形成,最终形成 shish-kebab结构。同时由于残余晶体的存在提高了晶核密度,因此芯层形成了密集的小球晶。此外,不论是芯层还是剪切层,其取向度、结晶度、长周期、晶片厚度等都得到了提高,最终提高了其力学性能。  (2)研究了部分熔融和完全熔融的HDPE/MWCNTs复合材料熔体对注射成型试样微观结构及宏观力学性能的影响。部分熔融的HDPE/MWCNTs的熔体中残余晶体在降温结晶过程中会作为成核点,以自成核的形式诱导结晶,进而促进了结晶过程。通过对注射成型试样微观结构的观察,我们在部分熔融的HDPE/MWCNTs得到的注射成型试样的剪切层发现了杂化串晶,这是由于部分熔融熔体中,MWCNTs表面残留部分晶体,在填充过程中受到剪切力的作用,会作为成核点诱导分子链附着形成kebab。此外,剪切层和芯层的取向度、结晶度、长周期及晶片厚度都得到了提高,这是由于残余晶体促进结晶过程的原因。我们通过DSC发现,部分熔融熔体得到的注射成型试样具有更大的半峰宽,这是由于其晶片厚度分布指数更大。熔体中以残余晶体为成核点形成的晶体更加完善,因而具有更大的晶片厚度;而熔体中仍然会有部分熔体以均相成核或异相成核的形式结晶,形成的晶体晶片厚度相对较小,因此使得半峰宽变大。最后研究了不同熔体结构对注射成型试样力学性能的影响,发现部分熔融熔体得到的注射成型试样具有更高的拉伸强度。
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