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本工作采用自制的β-成核剂制备β晶型聚丙烯(β-PP),用差示扫描量热仪(DSC)、广角X-射线衍射(WAXD)及扫描电子显微镜(SEM)等表征手段研究不同含量β-成核剂聚丙烯体系的非等温结晶、等温结晶行为及结晶动力学、结晶活化能;研究了成型温度对β晶型聚丙烯抗冲击强度的影响及β-成核剂对不同分子量聚丙烯及不同种类聚丙烯体系力学性能的影响;通过对晶体生长条件及晶体结构形态的研究,提出了β-PP抗冲击性能提高的机理,解释了拉伸时微孔形成的原因;同时研究了庚二酸改性碱式硫酸镁晶须填充β晶型聚丙烯体系。主要的研究内容和结论如下:
1.非等温结晶行为表明,聚丙烯中加入β-成核剂能够大大提高试样的结晶峰温度,降低试样体系的结晶速率,这主要由试样中α晶体和β晶体含量所决定;聚丙烯体系中晶体含量和晶体结构主要依赖于β-成核剂的含量和体系的冷却速率;
2.Jeziorny法和莫法用于描述β-PP的非等温结晶过程,结果显示β-成核剂在体系中起到了异相成核的作用,晶体以三维方式生长,且会降低试样的结晶速率,这两种方法所得结果有较好的一致性;Kissinger法研究试样的结晶活化能表明加入少量β-成核剂(低于或者等于0.1wt%)能够提高聚丙烯体系的结晶活化能,而加入高含量的β-成核剂(大于0.1wt%)会降低聚丙烯体系的结晶活化能,这主要是由于不同含量β-成核剂的试样中生成的晶体结构形态不同所致;
3.β-成核剂/聚丙烯体系/抗氧化剂注塑体系中,不同β-成核剂含量、成型温度、不同的抗氧化剂、不同类的聚丙烯树脂基及不同分子量的聚丙烯对体系力学性能及晶体含量、结构形态影响较大;通常β-成核剂含量在0.05~0.1wt%左右时体系的抗冲击强度达到最高,根据不同分子量的等规聚丙烯(iPP),抗冲击强度提高幅度达到1~3倍左右,分子量越大,提高幅度越大,但是β-成核剂对嵌段共聚聚丙烯的抗冲击强度影响较小;成型温度于100~130℃之间时有利于β晶体的生成,能够得到较多含量的β-PP,常温下测试的抗冲击强度随着成型温度的降低而升高,低温测试的抗冲击强度与试样中β-PP的含量成正比;
4.由于α晶体之间的边界清晰,当受外力时晶体之间的边界为材料的薄弱点;聚丙烯体系中含有少量β-成核剂时,生成的β晶体内部含有大量的捆束晶片及晶体边界之间有大量的“带系分子”相互紧密交错能大幅提高β-PP的抗冲击性能,β-成核剂分子是抵抗冲击的弱点;高含量β-成核剂时,β晶体内部的捆束晶片与晶体边界之间的“带系分子”的大量减少以及β-成核剂含量变多使得弱点增多,导致材料抗冲击性能的下降,但是高分子量β-PP由于“带系分子”的量比低分子量β-PP的多使得其抗冲击性能下降较少,β-PP分子量在抗冲击性能中起主要作用;β-PP试样受外力匀速拉伸时,含有少量β-成核剂的试样易形成均匀的微孔,β晶体的尺寸越大,微孔越容易形成;
5.用庚二酸改性碱式硫酸镁晶须填充聚丙烯,庚二酸在碱式硫酸镁晶须表面起化学反应生成庚二酸镁。改性晶须填充聚丙烯能够提高体系的结晶峰温度,诱导β晶体的生成,当含量为5wt%时,β晶体的含量达到最高,改性碱式硫酸镁晶须能够达到同时增强、增韧聚丙烯。