用于选择性激光烧结聚丙烯粉体的晶型调控策略

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β晶型聚丙烯具有优异的韧性和较高的热变形温度,广泛应用于汽车、家电、建材等领域。目前,β成核剂诱导结晶因其操作简单、见效迅速等优势,成为工业化生产β晶型聚丙烯制品的主流方法。此外,结合选择性激光烧结技术加工β晶型聚丙烯零件,对于丰富聚丙烯产品种类,扩大聚丙烯应用范围具有积极意义。因此,开发适用于选择性激光烧结粉体制备技术的聚丙烯β成核剂是研究的热点和难点。本文针对上诉问题和应用需求,开展用于选择性激光烧结聚丙烯粉体的晶型调控策略研究。内容和成果如下:(1)研究不同β成核剂对聚丙烯的结晶性能以及非等温结晶动力学的影响。合成二元羧酸盐类β成核剂己二酸锌和庚二酸钙,采用差示扫描量热法、X射线衍射法和偏光显微镜对比己二酸锌,庚二酸钙和商用β成核剂TMB-5成核聚丙烯的熔融结晶行为,β晶相对含量,微观结晶形态以及成核聚丙烯的非等温结晶动力学。实验结果表明三种β成核剂均具有良好的成核性能,可提高聚丙烯的结晶峰温度和β晶相对含量并且减小聚丙烯的晶粒尺寸。XRD测试结果表明,当成核剂的添加量在0.05wt%-0.2wt%时,己二酸锌成核聚丙烯的β晶相对含量Kβ基本保持在80%,而由庚二酸钙和TMB-5成核的聚丙烯的Kβ值均大于92%。非等温结晶动力学研究结果表明,0.1wt%添加量的己二酸锌加速了聚丙烯结晶,而同等添加量的庚二酸钙和TMB-5在结晶初期可加速聚丙烯结晶,但随着结晶过程的进行,成核聚丙烯整体的结晶速率下降,这可能与成核剂在聚丙烯基体中的分散性差异有关。(2)研究复合β成核剂中不同类型成核剂组分诱导聚丙烯结晶的协同作用。制备两种以己二酸锌为核心,以庚二酸钙或TMB-5为辅助的,低成本、高效的复合β成核剂。DSC测试结果表明,当己二酸锌与庚二酸钙共同作用于聚丙烯结晶时,成核聚丙烯的结晶峰温度处于0.1wt%己二酸锌和0.1wt%庚二酸钙成核聚丙烯的结晶峰温度之间。己二酸锌与庚二酸钙的质量比为8:2时,成核聚丙烯的β晶相对含量Kβ达到94.3%。POM测试结果表明,己二酸锌/庚二酸钙复合成核剂使成核聚丙烯中β晶的尺寸显著减小,并且提高了β晶分布的均匀性。当己二酸锌与TMB-5搭配使用时,成核聚丙烯的结晶峰温度处于空白聚丙烯和0.1wt%己二酸锌成核聚丙烯的结晶峰温度之间。这种现象可能与成核剂组分在聚丙烯基体中的团聚有关。当己二酸锌与TMB-5的质量比为9:1时,成核聚丙烯的Kβ值达到92.0%,比由0.1wt%己二酸锌成核聚丙烯的Kβ值提高了8.3%,但是比0.1wt%TMB-5成核的聚丙烯的Kβ值低2.9%。POM测试结果表明,己二酸锌/TMB-5复合成核剂同时诱导聚丙烯形成了α晶和树枝状的β晶。(3)利用成核剂调控选择性激光烧结聚丙烯粉体的晶型及其烧结窗口。分别制备了以己二酸锌和α成核剂HPN-20E诱导成核的聚丙烯粉体,并且与未添加成核剂的空白聚丙烯粉体进行了性能对比研究。XRD测试结果表明,采用己二酸锌作为β成核剂,利用熔融共混再经低温机械研磨的方式制得含有β晶的聚丙烯粉体。利用HPN-20E成核的聚丙烯粉体与空白聚丙烯粉体的晶体类型均为α晶。DSC测试结果表明,成核剂在不同程度上缩窄了聚丙烯的烧结窗口。SEM测试结果表明,经过低温机械研磨加工后,聚丙烯粉体的形貌不规则并且α-Powder和β-Powder粉体表面出现了少量导致其松散堆积密度降低的丝状结构。综上所述,应用于选择性激光烧结的β晶型聚丙烯粉体可采用添加β成核剂的方式来制备,且具有高效稳定,价格低廉的特点。
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