TPI硫化胶的结晶行为与拉伸变形中的结构演变

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反式聚异戊二烯(TPI)的橡塑二重特性限制了其像通常的塑料或橡胶一样应用,这源于其良好的结晶性能以及低的熔融温度。其复杂的多晶型以及结晶特性强烈地影响材料性能。迄今,有关TPI的研究一方面集中在从微观结构方面研究TPI的晶体结构、晶胞参数、形成条件、热力学分析和晶型转变等,但并未与该结构对应的材料的宏观性能相关联;另一方面的研究则主要集中在TPI与其它橡胶或塑料共混,旨在获得采用何种共混比、什么填料体系才能得到最佳性能,却未揭示宏观性能下的微观结构机制。基于以上原因,本课题分别采用两种促进剂体系,固定促进剂用量,按硫磺用量递增的顺序设计实验。通过DSC、偏光显微镜和广角X射线衍射(WAXD)/小角X射线散射(SAXS)研究TPI的非等温结晶动力学、球晶形貌、生长速率、晶型转变等微观结晶性能,以及取向结构;通过无转子硫化仪、拉力测试机、硬度计等研究TPI的硫化特性、力学性能等宏观性能;并使用核磁交联密度仪测定具体的交联密度。旨在建立宏观性能(力学性能、结晶性能)与微观结构间的因果关系,探明宏观性能下的微观机制,建立硫化体系及硫磺用量对TPI结晶性能的影响规律。具体结果如下:对于促进剂NS体系,随硫磺用量增加:DSC实验结果表明,结晶速率常数Zc逐渐减小,熔融焓降低,Avrami指数变化不大,说明硫磺使TPI的结晶能力下降,但并没有从根本上改变TPI硫化胶成核和生长方式。偏光显微镜结果表明,TPI晶区逐渐减少,晶区球晶的生长速率逐渐降低,球晶的尺寸逐渐减小,先后生成两种晶型。核磁结果显示,交联密度迅速增加,弛豫时间表明交联密度逐渐增大,A(T2)和A(Mc)表示三维空间网络越来越完善。力学性能结果表明,各项性能下降明显,胶料因结晶减弱造成的力学性能下降效果强于随硫化网络建立而引起的增强效果。当硫磺用量为2 phr时,TPI硫化胶在常温下既能改善结晶性能又具有较好的力学性能。对于促进剂M体系:交联密度增加对TPI结晶性能与力学性能的影响趋势相同,但影响趋势减缓。随硫磺用量增加,DSC结果表明,在4 phr硫磺之前,TPI仍有两个熔融峰并相互靠近为1个。偏光显微镜、核磁交联密度也显示出相同的结果。力学性能结果表明,在硫磺用量6 phr之前,TPI硫化胶能保持较好的力学性能。在硫磺用量为6 phr时,TPI硫化胶在0oC以上仍能结晶,且有较好的力学性能。添加炭黑补强后,对于两种硫化体系,硫磺用量对TPI硫化胶结晶性能和力学性能影响的总体趋势不变,但又有很多不同。DSC数据表明,各项结晶熔融参数下降趋势变缓,且峰值熔融温度、峰值结晶温度要高于不加炭黑组,熔融焓和结晶焓却低于不加炭黑组;熔融峰的个数要多于不加炭黑组。这可能是因为炭黑提供了成核点,但却抑制了TPI分子链段的运动,晶粒生长过程受阻。添加炭黑后,TPI硫化胶的力学性能得到明显改善。实验针对促进剂M体系进行了拉伸对TPI结构演变影响的实验,WAXS和SAXS结果表明:未拉伸时,随硫磺用量增加,α晶型的特征峰强度逐渐降低,衍射峰逐渐由尖锐对称变缓,表明非晶区成分增加,结晶能力下降。在拉伸过程中,两种晶型共存。对于纯TPI,在应变为0.4-0.53时,单斜晶α晶型通过拉伸转变成高度取向的正交β晶型。当硫磺用量为4phr时,α晶型向β晶型的转变发生在应变为0.8-1.25之间。
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