拉伸过程中温度和预成核对聚丁烯-1晶型转变的影响.pdf
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1、 第4 4卷 第6期2 0 2 3年1 2月 青 岛 科 技 大 学 学 报(自然科学版)J o u r n a l o f Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n)V o l.4 4 N o.6D e c.2 0 2 3 文章编号:1 6 7 2-6 9 8 7(2 0 2 3)0 6-0 0 7 6-0 5;D O I:1 0.1 6 3 5 1/j.1 6 7 2-6 9 8 7.2 0 2
2、 3.0 6.0 0 9拉伸过程中温度和预成核对聚丁烯-1晶型转变的影响温 帅,牛 秀,岳倩倩,聂华荣*(青岛科技大学 高分子科学与工程学院,山东 青岛 2 6 6 0 4 2)摘 要:聚丁烯-1作为一种多晶态聚合物,在拉伸过程中晶体结构会逐渐由亚稳态的晶型转变为稳定的晶型。利用原位广角X射线衍射,研究了不同温度下聚丁烯-1在拉伸过程中的晶型转变,以及预成核过程对聚丁烯-1晶型转变的影响。结果发现:拉伸温度越高,晶型转变越慢;预成核可以加速聚丁烯-1的晶型转变;此外,拉伸温度越高,预成核对晶型转变的促进作用也越明显。关键词:聚丁烯-1;晶型转变;预成核;拉伸温度中图分类号:T Q 3 2 5.
3、1+5 文献标志码:A引用格式:温帅,牛秀,岳倩倩,等.拉伸过程中温度和预成核对聚丁烯-1晶型转变的影响J.青岛科技大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 4(6):7 6-8 0.WE N S h u a i,N I U X i u,YU E Q i a n q i a n,e t a l.E f f e c t s o f t e m p e r a t u r e a n d p r e-n u c l e a t i o n o n s t r a i n-i n d u c e d c r y s t a l t r a n s i t i o n o f p o l y b u
4、 t e n e-1J.J o u r n a l o f Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i-e n c e a n d T e c h n o l o g y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n),2 0 2 3,4 4(6):7 6-8 0.收稿日期:2 0 2 2-1 1-0 3基金项目:国家自然科学基金项目(5 1 9 7 3 1 0 1);山东省自然科学基金项目(Z R 2 0 2 0 K E 0 1 4,Z R 2 0 1 9 MB 0 7 2,Z R 2 0 2 0 ME 0 7
5、 9 2);山东省重大科技创新工程项目(2 0 1 9 J Z Z Y 0 1 0 3 5 2);泰山学者工程项目(2 0 2 2).作者简介:温 帅(1 9 9 6),男,硕士研究生.*通信联系人.E f f e c t s o f T e m p e r a t u r e a n d P r e-n u c l e a t i o n o n S t r a i n-I n d u c e d C r y s t a l T r a n s i t i o n o f P o l y b u t e n e-1WE N S h u a i,N I U X i u,Y U E Q i a
6、n q i a n,N I E H u a r o n g(C o l l e g e o f P o l y m e r S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,Q i n g d a o 2 6 6 0 4 2,C h i n a)A b s t r a c t:A s a p o l y m o r p h i c p o l y m e r,p o l y b u t e n e-1 u
7、n d e r g o e s c r y s t a l t r a n s i t i o n f r o m m e t a-s t a b l e f o r m t o s t a b l e f o r m d u r i n g a s t r e t c h i n g p r o c e s s.I n t h i s s t u d y,t h e s t r a i n-i n-d u c e d c r y s t a l t r a n s i t i o n o f p o l y b u t e n e-1 a t d i f f e r e n t t e m
8、p e r a t u r e s a n d t h e i n f l u e n c e o f p r e-n u-c l e a t i o n o n t h e c r y s t a l t r a n s i t i o n w e r e s t u d i e d b y i n s i t u w i d e-a n g l e X-r a y d i f f r a c t i o n.I t w a s d i s-c o v e r e d t h a t t h e c r y s t a l t r a n s i t i o n w a s r e t a
9、r d e d a t a h i g h s t r e t c h i n g t e m p e r a t u r e,a n d t h e p r e-n u c l e a-t i o n c o u l d a c c e l e r a t e t h e c r y s t a l t r a n s i t i o n.M o r e o v e r,a h i g h e r s t r e t c h i n g t e m p e r a t u r e g a v e r i s e t o a n i m p r o v e d a c c e l e r a
10、t i o n o f c r y s t a l t r a n s i t i o n w h e n p r e-n u c l e a t i o n w a s e m p l o y e d.K e y w o r d s:p o l y b u t e n e-1;c r y s t a l t r a n s i t i o n;p r e-n u c l e a t i o n;s t r e t c h i n g t e m p e r a t u r e 聚丁烯-1因其优异的耐热抗蠕变性耐环境应力开裂性以及良好的韧性等物理性质,在热水管道、压力管和压力罐等领域有着广泛的
11、应用1。作为一种典型的多晶态聚合物,聚丁烯-1共有4种不同的晶型:晶型/,晶型和晶型。其中,目前引起广泛关注和研究的晶型,是具有四方结构的亚稳态晶型和具有六方结构的稳定晶型。通常情况下,聚丁烯-1从熔融状态结晶时,主要形成动力学优先的晶型,在室温下停放时,晶型会自动且缓慢地转变为热力学稳定的晶型2-6。伴随着制品 第6期 温 帅等:拉伸过程中温度和预成核对聚丁烯-1晶型转变的影响体积的收缩和机械性能的改变,该转变过程给工业生产带来了极大的不便。研究者采取了许多方法来加速聚丁烯-1的晶型转变,例如改变结晶条件、施加拉伸、两步退火、共混或引入共聚单元等7-1 1,拉伸是其中较为快捷有效的方法之一,
12、可以使聚丁烯-1在短时间内完成相变过程1 2-2 2。GO L D B A C K等1 9发现聚丁烯-1在拉伸时,当应力达到屈服应力以上,晶型转变明显加快。L I U等2 0认为拉伸诱导的晶型转变分为3个阶段,即晶型的孵化,成核和加速,室温拉伸时,晶型转变 较 快,高 温 拉 伸 时,晶 型 转 变 速 率 较 慢。WANG等2 2发现转变完成的稳定晶型在高温拉伸过程中,被破坏成无定形的分子链后,发生重结晶,形成亚稳态的晶型2 2。尽管现有研究均已表明,拉伸可以加速晶型转变,但受拉伸温度的影响,高温拉伸时的晶型转变速率仍较慢。有研究发现,静置状态下的晶型转变过程由成核-生长控制,且成核是决定转
13、变速率的关键2 3-2 5。基于此,本研究工作拟采用预成核的方法,进一步加快拉伸过程中的晶型转变。本研究以等温结晶的聚丁烯-1为研究对象,采用原位广角X射线衍射(w i d e-a n g l e X-r a y d i f f r a c t i o n,W A X D),对不同拉伸温度下的聚丁烯-1的晶型转变进行了研究,并引入预成核过程,对比分析预成核对聚丁烯-1晶型转变的影响。1 实验部分1.1 实验样品与仪器实验所用的聚丁烯-1由山东东方宏业公司提供,其熔融指数为4.3 2 g(1 0 m i n)-1(1 9 0,2.1 6 k g),等规度为9 7.7%。凝 胶 渗 透 色 谱(g
14、 e l p e r m e a t i o n c h r o m a t o g r a p h y,G P C)测出的重均 分子量为5.4 81 05,分子量分布为3.9。1.2 聚丁烯-1样条的制备聚丁烯-1粒料首先在1 9 0,1 0 MP a的压力下被压制成1 2 0 m厚的薄膜,之后在2 5 下骤冷。用模具将压制好的薄膜裁剪成2 0 mm4 mm0.1 2 mm的样条。将样条在1 8 0 等温5 m i n消除热历史,之后以3 0 m i n-1的速度降温至8 0 等温保存0.5 h使样品充分结晶。预成核的样品在拉伸前于室温下放置2 h,未预成核样品在拉伸前置于6 0 等温保存以
15、避免聚丁烯-1发生晶型转变。1.3 聚丁烯-1的晶型转变表征1.3.1 原位广角拉伸测试在R i g a k u/X R D-U i t i m a I V装置上,使 用C u-K 辐射(=0.1 5 4 n m),电机电压为4 0 mA进行W A X D分析。利用独立的微型拉力机进行拉伸,拉伸速度为2 0 ms-1,在拉伸过程中进行原位测试,每间隔6 0 s对样品进行一次曝光,每次的曝光时间为6 0 s,采用的拉伸温度分别是室温,6 5和8 5。1.3.2 拉伸过程中的晶型转变分析晶型的(1 1 0)和(2 2 0)晶面衍 射峰分别在2=1 0.0 和2 0.4 处出现,晶型的(2 0 0)
16、,(2 2 0)和(2 1 3)晶 面 衍 射 峰 分 别 在2=1 2.0,1 6.9 和1 8.5 处出现。根据晶型晶体的衍射峰强度与晶型晶体衍射峰强度的比值,分别计算晶型转变过程中晶型和晶型的相对含量X和X:X=I1 1 0 I1 1 0 +R I2 0 0 ,(1)X=I(2 0 0)I(1 1 0)+R I(2 0 0)。(2)其中:I(1 1 0)和I(2 0 0)分别对应晶型(1 1 0)晶面和晶型(2 0 0)晶面的衍射强度,为了平衡晶型(1 1 0)晶面和晶型(2 0 0)晶面在WA X D上衍射峰强度的差异,引入文献2 6 计算得出的校正因子R,数值为0.6 7。2 结果与
17、讨论2.1 室温下拉伸时聚丁烯-1的晶型转变聚丁烯-1样品在等温结晶后,置于6 0 等温保存,随后在室温下,采用微型单轴拉力计对聚丁烯-1样条进行拉伸,拉伸速度为2 0 ms-1,以初步考察聚丁烯-1在拉伸时的晶型转变过程与应力应变曲线的对应关系,结果见图1。图1 室温下聚丁烯-1拉伸时的应力应变曲线和晶型转变曲线F i g.1 S t r e s s-s t r a i n c u r v e s a n d c r y s t a l t r a n s i t i o n f o r i P B-1 s a m p l e s s t r e t c h e d a t r o o m
18、t e m p e r a t u r e从应力应变曲线来看,至少可以分为3个阶段。当应变小于0.1时,聚丁烯-1样品处于虎克弹性77青 岛 科 技 大 学 学 报(自然科学版)第4 4卷区;当应变大于0.4时,样品进入明显的应变硬化区,在应变0.10.4间,应力缓慢增长。同样地,晶型转变也可分为明显的3个阶段。阶段A是晶型的孵化阶段,对应于应力应变曲线上的虎克弹性区,在这一区间内,晶型和晶型的含量均未发生明显变化;阶段B是晶型的成核阶段,与应力应变曲线上的应变硬化前这一区间相对应,在这一阶段,有少量的晶型产生;阶段C对应于应力应变曲线上的应变硬化阶段,此时,晶型的含量快速增加,进入加速期,最
19、终在应变为1.6时,晶型I的含量可达8 3.3%。2.2 拉伸温度对聚丁烯-1晶型转变的影响将6 0 等温保存的聚丁烯-1样品分别在室温、6 5和8 5 的温度下,以2 0 ms-1的速度进行拉伸,并原位采用W A X D进行分析。根据公式(1)计算得到不同温度下晶型转变曲线,如图2所示。由图2看出,随着拉伸温度的升高,晶型晶核的孵化期逐渐延长。在室温下拉伸时,晶型形成的孵化期在应变大于0.1 6后结束。而在8 5 下拉伸时,只有应变超过0.7 2后,才能观察到晶型的缓慢生长。另外,在达到相同应变的条件下,晶型的含量亦大幅度下降,当拉伸温度从室温上升到图2 不同拉伸温度下聚丁烯-1的晶型转变曲
20、线F i g.2 C r y s t a l t r a n s i t i o n c u r v e s f o r i P B-1 s a m p l e s s t r e t c h e d a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s8 5 时,同样在1.6的应变下,晶型的含量从8 3.3%下降到1 3.6%。这表明,拉伸温度的升高不利于晶型转变速率的提高,这可能是由于高温不利于晶型的成核引起。2.3 预成核对晶型转变的影响Q I AO等2 3在研究聚丁烯-1的晶型转变时发现,高温条件不利于晶型的成核。为了研究不同温度下,晶型的成核对拉
21、伸时晶型转变的影响,本实验将等温结晶结束后的聚丁烯-1样品置于室温下2 h进行预成核,随后在不同温度下进行拉伸。如图3(a)(c)所示,所有样品在拉伸前,均能在2=1 0.0 处观察到晶型(1 1 0)晶面的衍射峰,表图3 预成核后不同拉伸温度下的WA X D图像和对应的晶型I含量F i g.3 WA X D i m a g e s a n d t h e c o n c e n t r a t i o n o f c r y s t a l I f o r i P B-1 s t r e t c h e d a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r
22、e s a f t e r p r e-n u c l e a t i o n87 第6期 温 帅等:拉伸过程中温度和预成核对聚丁烯-1晶型转变的影响明在拉伸前,均有晶型晶核的形成。随着拉伸的进行,晶型(1 1 0)晶面的衍射峰强度逐渐增加,在2=1 2.0 处,晶型(2 0 0)晶面的衍射峰强度逐渐降低,这意味着拉伸可加快晶型转变,但拉伸温度越高,晶型增长越慢。从图3(d)可以看出,预成核后,晶型孵化期消失,聚丁烯-1的晶型转变速率均比没有预成核阶段的样品高,尤其是对于高温下拉伸,晶型在应变大于0.2时,即可看到晶型缓慢生长。在应变为1.6时,不同拉伸温度下的聚丁烯-1中的晶型含量也比没有预
23、 成核阶段的 样品高。图4为经历预成核和不经历预成核阶段,聚丁烯-1样品在不同温度下,拉伸至应变为1.6时晶型的具体浓度。图4 预成核前后不同拉伸温度下的晶型转变率F i g.4 R a t e o f c r y s t a l t r a n s i t i o n a t d i f f e r e n t t e n s i l e t e m p e r a t u r e s b e f o r e a n d a f t e r p r e-n u c l e a t i o n由图4看出,室温拉伸时,预成核对晶型含量影响较小,没有预成核拉伸的样品晶型含量为0.8 3,预成核后拉
24、伸,晶型含量为0.8 6。8 5 下拉伸时,预成核对晶型的生成影响最大,未预成核的样品,晶型的含量仅为0.1 4,而预成核后拉伸,晶型的浓度提升至0.4 9。6 5 下拉伸时,预成核对晶型形成的影响介于室温和8 5 之间。结合图2的结果,可以认为,室温下拉伸时,晶型成核的孵化期和成核期均很短,在屈服点之后就有少量的晶型产生,而在高温下,晶型需要较长的孵化周期,预成核过程可以极大地缩短晶型的孵化期和成核期,使得晶型转变速率和晶型的浓度提高。然而,即便预成核可以提高聚丁烯-1样品在高温拉伸时的晶型转变,但其晶型转变速率仍比低温拉伸时低。基于晶型转变的驱动力是内应力2 1,课题组认为这一现象的原因可
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