稀土成核剂与氧化石墨烯的协同效应对等规聚丙烯结晶行为的影响

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等规聚丙烯(iPP)具有良好的物理、化学和加工性能,广泛应用于日常生活、包装材料、汽车内饰等各个领域。但韧性差、低温脆性大等缺点严重制约了iPP的进一步发展和应用。幸运的是,iPP的多晶型特性赋予其极大的性能可调控性。添加成核剂是工业生产中改变iPP晶型最为简便的方法,其中稀土成核剂(WBG-Ⅱ)的应用最为广泛。为了实现iPP的高性能化和功能化,除了成核剂,往往会在iPP中添加第二相填料(例如氧化石墨烯,GO)。然而,目前研究往往集中于填料对iPP性能的单独影响,而忽略了填料之间的相互作用。本工作的开展对理解多相填料对iPP结晶行为的协同作用以及iPP的高性能化和功能化具有较强的理论指导意义。本文利用双螺杆挤出机将GO与iPP/WBG-Ⅱ进行熔体混合。在混合之前,为了促进GO在iPP中的分散,利用化学接枝法将十八烷基胺(ODA)接枝到GO表面。利用原位偏光显微镜(POM)对WBG-Ⅱ的自组装形貌以及WBG-Ⅱ/GO-ODA共存时其自组装形貌进行观察,并利用原位傅里叶红外光谱仪(FTIR)探究GO-ODA影响WBG-Ⅱ自组装形貌机理。在此基础上,利用差示扫描量热仪(DSC)对iPP/WBG-Ⅱ/GO-ODA复合材料的静态非等温结晶和熔融行为进行了系统研究,利用剪切热台和原位广角X射线散射(WAXS)对iPP/WBG-Ⅱ/GO-ODA复合材料的剪切诱导结晶行为进行了综合观察。主要研究结果如下:(1)在WBG-Ⅱ的自组装行为中,当最终处理温度(Tf)高于240 ℃时,WBG-Ⅱ全部溶解,在冷却过程中形成杆状、树枝状、簇状等多种形态。GO-ODA的加入可以改变WBG-Ⅱ自组装的形态,形态变化与Tf和GO-ODA的含量(ΦG)密切相关:当Tf为210 ℃时,WBG-Ⅱ形态变化很小;当Tf高于230 ℃时,添加GO-ODA将增加WBG-Ⅱ聚集体结构的密度。FTIR结果表明,GO-ODA影响WBG-Ⅱ自组装的机理是由于WBG-Ⅱ在缔合过程中与GO-ODA通过氢键发生了相互作用。(2)在静态非等温结晶行为中,WBG-Ⅱ和GO-ODA对iPP的结晶起始温度(Tc-on)、结晶峰值温度(Tc-max)、半结晶时间(t1/2)和β的相对结晶度(Kβ)表现出协同效应,而不是叠加效应。具体如下:当Tf低于220 ℃时,由于WBG-Ⅱ几乎不会在iPP熔体中发生溶解,并且其形态的变化也很小,此时Tc-on、Tc-max、t1/2和Kβ不会随着ΦG的变化而发生明显变化;当Tf高于240 ℃时,Tc-on、Tc-max和Kβ首先随着ΦG的增加而不断降低至最小值,当ΦG大于0.2%时开始升高。(3)在剪切诱导结晶行为中,当Tf为210 ℃时,与iPP/WBG-Ⅱ相比,在较大剪切速率范围内(0~100 s-1),iPP/WBG-Ⅱ/GO-ODA复合材料的Kβ均为最高。流变测试结果表明,GO-ODA的加入很可能是改变了剪切场下分子链链段的取向行为,从而影响了最终试样中β-iPP的含量。本工作创新性在于首次对GO-ODA存在下WBG-Ⅱ的自组装行为进行了探究,揭示了WBG-Ⅱ/GO-ODA对iPP静态结晶的协同作用,发现了iPP/WBG-Ⅱ/GO-ODA复合材料中GO-ODA对剪切诱导β-iPP形成的促进作用,为实现iPP的高性能化和功能化提供了一定的理论指导。
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