马来酸酐接枝PP_PE共混物及其木塑复合材料_图文.
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用于塑木挤出根本配方如下:据情添加一定量的抗老化剂如抗氧剂UV剂。
也可全用木粉,也可木粉和竹粉搭配使用但竹粉含水率较高。
此配方具有以下特性:1,可提高生产速度,提升产能。
2,提高产品的力学性能,如弯曲强度,冲击强度,弯曲模量,降低含水率和吸水率。
3,产品外表质量好。
4,无需加偶联剂简化工艺,降低本钱。
5,良好的抗静电性能,保护产品的外观清洁。
6,提高产能,降低人工,水电本钱提升效益。
比硬脂酸盐,硬脂酸,石蜡,PE蜡润滑体系挤出速度提高30%左右。
用于注塑根本配方如下:1.5配方组成及加工工艺1.5.1原材料选择(1)树脂目前用于木塑复合材料的树脂主要有:PE树脂〔多采用HDPE回收料〕,开展迅速,占市场用量的80%;PVC市场占有率为10%,目前增长停滞;PP基木塑占8%,有相当局部用于高端应用;ABS、PS木塑受制于配方技术,开展缓慢,约占2%。
聚丙烯(PP)是用量最大的通用塑料之一,其来源丰富,价格低廉。
聚丙烯具有熔点高、密度小、耐水性强、机械性能和力学性能优异等特点,其制品无毒无味,光泽性好,聚丙烯己经广泛应用于包装方面、医疗器具、汽车零部件、家电和建筑等领域。
根据高分子立体构造不同,聚丙烯有三个品种:等规聚丙烯〔IPP〕、间规聚丙烯〔SPP〕和无规聚丙烯〔APP〕[22]。
目前工业生产中的聚丙烯超过90%为等规聚丙烯。
用木粉填充改性聚丙烯不仅可以降低本钱,还可以明显改善聚丙烯成型收缩率大、低温脆性等缺点。
选择不同牌号的聚丙烯做木塑复合材料的基体,得到不同力学性能复合材料。
〔2)木粉木粉是由木材机械粉碎而成,不同粒径的木粉具有不同的外表粗糙度,外表粗糙度影响木材与塑料能否形成良好浸渍,能否在界面区形成较深的机械互锁作用。
目前常用于木塑复合成型的木粉大小约为50—200目之间。
纤维素是构成木粉的最主要成分。
纤维素外表存在大量羟基这些基团的存在,使木塑复合材料具有很强的极性和吸湿性,两者对木塑复合材料的力学性能、耐热性及吸湿性都有很大的影响[23]。
在由一种或几种单体组成的聚合物的主链上,通过一定的途径接上由另一种单体或几种单体组成的支链的共聚反应。
是高聚物改性技术中最易实现的一种化学方法。
马来酸酐接枝改性聚合物一般采用双螺杆挤出机熔融接枝法制备,其系类品种包括聚乙烯(PE-g-MAH)、聚丙烯(PP-g-MAH)、ABS (ABS-g-MAH)、POE(POE-g-MAH)、EPDM(EPDM-g-MAH)等,其操作工艺简单、生产成本低、产品质量稳定等特点。
其中产品MAH接枝率在0.5~2.5%范围内可调,其他力学性能指标优良。
可广泛用作各类非极性聚合物(如PE、PP等)与极性聚合物(如PC、PET、PA等)其混改性时的相容剂等。
纳米碳酸钙是一种十分重要的无机增韧增强功能性填料,被广泛地应用在塑料、橡胶、涂料和造纸等工业领域,为降低纳米碳酸钙表面高势能、调节疏水性、提高与基料之间的润湿性和结合力、改善材料性能,须对纳米碳酸钙进行表面改性常用的碳酸钙表面改性方法主要以脂肪酸(盐),钛酸酯,铝酸酯等偶联剂在碳酸钙表面进行化学改性,从而使改性碳酸钙填充的聚合物冲击强度得到较大的提高,为了提高无机填料与有机基体之间的相容性,用高分子有机物对无机填料进行表面接枝改性是一种常用方法。
Takao Nakatsuka 以磷酸盐改性超细CaC03表面,然后与聚异丁烯酸接枝,P.Godard采用羧酸吸附和聚丁基丙烯酸接枝对CaC03表面改性,与丙稀单体混合后通过聚合制备了性能较好的PP/CaC03复合材料。
林业工程学报,2023,8(2):109-116JournalofForestryEngineeringDOI:10.13360/j.issn.2096-1359.202207014收稿日期:2022-07-18㊀㊀㊀㊀修回日期:2023-01-28基金项目:广西自然科学基金(2021GXNSFBA196056);广西民族大学引进人才科研启动项目(2020KJQD11);五邑大学博士科研启动项目(BSQD1902)㊂作者简介:易顺民,男,讲师,研究方向为木塑复合材料等㊂通信作者:许世华,男,讲师㊂E⁃mail:shunminyi10@163.com马来酸酐和二乙烯基苯共接枝对聚丙烯木塑等温结晶动力学的影响易顺民1,刘婉玉2,王清文3,李长鑫1,许世华4∗(1.广西民族大学材料与环境学院广西先进结构材料与碳中和重点实验室,南宁530105;2.广西科学院,南宁530007;3.华南农业大学材料与能源学院,广州510642;4.五邑大学艺术设计学院,江门529020)摘㊀要:通过马来酸酐(MAH)和二乙烯基苯(DVB)原位熔融共接枝改性聚丙烯(PP)基体,并直接与木粉熔融共混制备木塑复合材料㊂利用偏光显微镜(POM)和差示扫描量热仪(DSC),分别研究原位接枝改性对PP基体和木塑复合材料结晶形态及等温结晶行为的影响㊂结果表明:PP基体分子链上接枝的MAH基团提高了晶核的形成速率,PP晶核尺寸减小;添加DVB与MAH共接枝改性PP后,PP基体的结晶速率进一步提高,晶核尺寸进一步减小㊂加入木粉后,木粉的异相成核作用提高了PP基体的结晶速率,结晶速率常数K和半结晶时间t0.5增大;MAH原位接枝改性后,木粉与PP基体之间的界面相容性提高,但MAH接枝PP/木粉复合材料中PP基体结晶速率较未共混MAH接枝PP基体降低;加入DVB与MAH共接枝改性后,复合材料中PP基体的结晶速率较未共混的共接枝PP基体进一步提高㊂通过Arrhenius方程和Hoffman⁃Weeks外推法计算结果表明,在共接枝改性体系,少量支链结构的引入降低了复合材料中PP基体结晶所需的活化能,PP基体的快速结晶有利于复合材料的快速成型,但复合材料中PP晶体的热稳定性变差㊂关键词:木塑复合材料;马来酸酐;二乙烯基苯;等温结晶;结晶动力学中图分类号:S781.7㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:2096-1359(2023)02-0109-08Isothermalcrystallizationkineticsofmaleicanhydrideanddivinylbenzeneco⁃graftedPP⁃basedwood⁃plasticcompositesYIShunmin1,LIUWanyu2,WANGQingwen3,LIChangxin1,XUShihua4∗(1.GuangxiKeyLaboratoryofAdvancedStructuralMaterialsandCarbonNeutralization,SchoolofMaterialsandEnvironment,GuangxiMinzuUniversity,Nanning530105,China;2.GuangxiAcademyofScience,Nanning530007,China;3.CollegeofMaterialsandEnergy,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China;4.CollegeofArtandDesign,WuyiUniversity,Jiangmen529020,China)Abstract:Asanecologicallyandenvironmentallyfriendlymaterialwithoutstandingcomprehensiveperformanceandsignificantecologicalandeconomicbenefits,wood⁃plasticcompositescanbedevelopedtorealizetheefficientutiliza⁃tionofwasteplasticsandagriculturalandforestryresidues.Polypropylene(PP)matrixmodifiedbyinsitumeltingco⁃graftingofmaleicanhydride(MAH)anddivinylbenzene(DVB)wascompoundedwithwood⁃particletopreparewood⁃plasticcomposites.ThegraftedMAHgreatlyimprovedtheinterfacialinteractionbetweenPPandwoodparticle.TheeffectsofthematrixmodificationonthecrystalmorphologyandisothermalcrystallizationbehaviorofthePPma⁃trixandthewood⁃plasticcompositeswereinvestigatedbythepolarizingmicroscope(POM)anddifferentialscanningcalorimeter(DSC).TheresultsshowedthatthegraftedMAHgrouppromotedtherateofcrystalnucleusformation,whilethesizeofcrystalnucleusdecreasedcomparedtotheunmodifiedPP.AfteraddingDVBandMAHtomodifyPP,thecrystallizationrateoftheMAH/DVBco⁃graftedPPmatrixwasfurtherincreasedandthesizeofcrystalnucle⁃uswasfurtherreduced,comparedtotheMAHgraftedPP.Intheunmodifiedcompositessystems,theheterogeneousnucleationofwoodparticlesacceleratedthecrystallizationrateofthePPmatrix,thecrystallizationrateconstantsKandthehalf⁃crystallizationtimet0.5increased.IntheMAHgraftingmodificationsystem,aftergraftingMAHontoPP,theeffectiveinterfacialbondingbetweentheMAHgraftedPPandwoodparticleresultedinadecreaseinthecrystalli⁃zationrateofthePPmatrixinwoodparticle/MAH⁃grafted⁃PPcomposites,comparedtotheMAHgraftedPP.Further林业工程学报第8卷addingDVB,thePPmatrixwasmodifiedwithMAHandDVB,andthecrystallizationrateofthePPmatrixinWPCcompositesincreased,comparedtotheMAHco⁃graftedPP.TheresultsofArrheniusequationandHoffman⁃Weeksextrapolationshowedthat,undertheisothermalcrystallizationconditionofthecompatiblesystem,theinterfacebond⁃ingwasstrengthened,andthehighernucleationdensityonthesurfaceofwoodflourwouldpromotetheproductionoftransversecrystalswithbetterthermalstability.Intheco⁃graftingmodificationsystem,theintroductionofasmallamountofbranchedchainstructurereducedtheactivationenergyrequiredforthecrystallizationofPPmatrixinthecomposite.However,astheperfectionofcrystalgrowthdecreased,thenumberoftransversecrystalsformedonthesurfaceofwoodflour.RapidcrystallizationofthePPmatrixwasconducivetotherapidprototypingofthecomposites,butthethermalstabilityofthePPcrystalinthecompositebecameworse.Therefore,inthemoldingprocessofmodi⁃fiedPP⁃basedwood⁃plasticcomposites,thecrystallizationrateandcrystallinityofthematrixcanbeeffectivelycon⁃trolledbytheextrusionprocesstoobtainwood⁃plasticcompositeproductswithbetterperformance.Keywords:wood⁃plasticcomposites;maleicanhydride;divinylbenzene;isothermalcrystallization;crystallizationki⁃netics㊀㊀聚丙烯(PP)木塑复合材料作为一种综合性能突出㊁生态和经济效益显著的生态环境材料,其发展可实现废旧塑料和农林剩余物的高效利用,近年来呈现高速发展的态势,被广泛应用于室外建筑和汽车工业等领域[1-2]㊂然而,当下木塑复合材料占木材工业产品总产量的比重仍较小,这主要是由于塑料原料价格昂贵,约为木粉等农林剩余物的10倍[3]㊂为扩大木塑复合材料应用,常选用木粉高填充体系来降低成本[4],但极性木粉与非极性热塑性塑料之间的界面相容性差,导致复合材料的成型加工性能和力学性能将明显变差㊂通过添加第三组分相溶剂㊁木材改性和聚合物基体改性的方法,可以有效提高木塑复合材料的界面相容性,进而提升材料性能[5-6]㊂以二乙烯基苯(DVB)和马来酸酐(MAH)共同接枝的PP作为基体,能有效改善各组分间的界面相容性[7]㊂与未改性复合材料相比,MAH接枝改性后,复合材料的拉伸性能㊁弯曲性能和抗冲击强度均明显提升;但与传统相容剂增容体系相比,复合材料的抗冲击性能提升并不明显;MAH和DVB共接枝改性后,与MAH接枝改性的体系相比,复合材料的拉伸强度㊁弯曲强度和冲击强度分别提升9%,8%和32%㊂原位增容技术能够有效增强复合材料的力学性能,但对于复合材料的成型加工性能的影响仍需进一步研究㊂PP基体是一种半结晶的非极性热塑性聚合物,其较慢的结晶速率会延长复合材料熔融加工成型的时间㊂目前,研究者们已开始关注PP木塑复合材料结晶行为对材料性能的优化和调控[8-9]㊂由于针对聚合物基体原位接枝增容对高填充木塑复合体系结晶行为及结晶动力学的研究较少,因此,探究PP及其复合材料结晶性能特性,有利于从理论上指导复合材料的成型加工工艺㊂笔者在前期力学性能研究基础上,进一步研究原位共接枝改性对PP基体及其木塑复合材料的等温结晶动力学的影响,通过Avrami方程㊁Arrhenius方程和Hoffman⁃Weeks外推法计算了等温结晶动力学参数,以研究原位共接枝改性的PP及其木塑复合材料的等温结晶特点,为木塑复合材料成型加工的优化提供一定的理论依据㊂1㊀材料与方法1.1㊀主要原料PP(密度0.9g/cm3),型号T30S,熔体流动速率(MFI)3.8克每十分钟,由中国石油大庆石化公司提供;MAH(分析纯)㊁过氧化二异丙苯(DCP,分析纯),购自天津市博迪化工有限公司;DVB(质量分数55%),购自湖北万德化工有限公司;40 80目(粒径0.180 0.425mm)杨木粉,由东北林业大学帽儿山林场木塑复合材料原料基地提供;聚乙烯蜡,市售㊂1.2㊀原位接枝改性PP基体的制备将接枝单体MAH㊁DVB和引发剂DCP按照一定质量比加入丙酮溶液搅拌均匀,具体配方见表1㊂将混合溶液喷洒到PP粒料上,在SHR⁃10A型高速混合机(张家界市通沙塑料机械有限公司)中混合10min㊂将附着单体和引发剂的PP粒料加入AK533双螺杆挤出机(南京科亚化工成套装备表1㊀原位接枝改性聚丙烯基体的配方组成Table1㊀Formulacompositionofinsitugraftingmodifiedpolypropylenematrix单位:%样品PPDCPMAHDVBPP100.00000PM99.510.090.400PMD99.110.090.400.40011㊀第2期易顺民,等:马来酸酐和二乙烯基苯共接枝对聚丙烯木塑等温结晶动力学的影响公司),在引发剂DCP作用下引发PP进行熔融接枝改性,得到改性后MAH接枝的PP基体(PM,MFI为55.2克每十分钟,MAH接枝率0.11%)以及MAH和DVB共接枝的PP基体(PMD,MFI为18.3克每十分钟,MAH接枝率0.27%)[7]㊂1.3㊀木塑复合材料的制备将木粉放入鼓风干燥箱,在103ħ下干燥24h㊂基于前期研究基础,选择性能最优的复合材料配方作为研究对象[4,7],将干燥后的木粉与塑料基体㊁润滑剂按照一定质量比加入高速混合机中,并在80ħ下混合10min,具体组成见表2㊂加入SJ45型双阶塑料挤出机(南京橡塑厂)进行混合造粒,各区机筒温度分别为150,160,170,180,180,170和160ħ㊂表2㊀聚丙烯⁃木粉复合材料的组成Table2㊀FormulationofPP/woodparticlescomposites单位:%样品聚合物基体木粉PE蜡木粉/PP⁃WP40(PP)602木粉/PM⁃PM40(PM)602木粉/PMD⁃WPMD40(PMD)6021.4㊀等温结晶形貌观察在200ħ下将质量约为5mg的未改性PP颗粒放在载玻片上熔化,然后盖上载玻片轻轻挤压成薄膜,保温5min以消除热应力史,冷却至预定的等温结晶温度Tc(129ħ),速度为50ħ/min㊂利用AxioScopeA1型偏光显微镜(POM,德国CarlZeiss)研究原位共接枝改性前后PP基体的等温结晶形貌㊂1.5㊀等温结晶动力学分析利用PyrisDiamod型差示扫描量热仪(DSC,英国PerkinElmer)测试和分析原位接枝改性前后PP基体及其木塑的等温结晶行为㊂样品质量约5mg,在液氮保护下从室温以100ħ/min升温到200ħ,保温5min以消除热应力史,然后以100ħ/min快速降至指定的等温结晶温度Tc(121,123,125,127和129ħ),恒温10min,使样品完全结晶㊂1.5.1㊀相对结晶度计算通过对等温结晶曲线积分,可得到任一时刻(t)的相对结晶度(Xt),计算公式如下:Xt=Xc(t)Xc(tɕ)=ʏt0dH(t)dtdtʏɕ0dH(t)dtdt=ΔHtΔHɕ(1)式中:Xc(t)和Xc(tɕ)为t时刻和达到完全结晶时的相对结晶度,%;ΔHt和ΔHɕ为t时刻和达到完全结晶时产生的热量,J;dH(t)/dt为结晶热释放速率,J/s㊂1.5.2㊀等温结晶参数计算通过Avrami方程处理DSC曲线的结晶段部分[8],对结晶度计算公式两边取对数,可得到相对结晶度达到50%时的结晶时间(t0.5),计算公式如下:Xt=1-exp(-Ktn)(2)ln-ln(1-Xt)[]=nlnt+lnK(3)t0.5=(ln2/K)1/n(4)式中:Xt为t时刻的相对结晶度,%;K为结晶速率常数,min-n;n为Avrami指数,n取决于晶体的几何生长和成核类型;对ln[1-ln(1-Xt)]与lnt进行线性拟合,通过拟合直线的截距和斜率求等温结晶动力学参数K㊁n㊂1.5.3㊀结晶活化能计算使用Arrhenius方程[10-11]分析各样品的等温结晶过程,计算公式如下:1nlnK=lnk0-ΔERTc(5)式中:k0为与温度无关的前置因子;ΔE为等温结晶活化能,kJ/mol;R为气体常数,J/(mol㊃K)㊂1.5.4㊀平衡温度计算平衡熔点是一种理想状态,通常用来表征结晶性聚合物晶体的热稳定性,无法直接测得,需要通过Hoffman⁃Weeks外推法[10]得到,计算公式如下:Tm=T0m1-1ræèçöø÷+Tcr(6)式中:Tm为熔点温度,ħ;r为晶片厚度因子;T0m为平衡熔点,ħ㊂2㊀结果与分析2.1㊀改性材料结晶形貌与生长分析在129ħ下恒温50s,与未改性PP相比,从0到50s,MAH接枝改性后,PM基体的显微照片中出现较多明显的晶核(图1),这表明接枝的MAH基团可作为成核剂促进晶核的形成,晶核的生长速率明显提高[12]㊂加入DVB与MAH共接枝改性后,在129ħ下恒温50s,PMD基体形成了更多晶核,这可归因于DVB分子上2个高活性的双键,其中1个双键有利于MAH的接枝,进而加速了晶核的形成,第2个双键引发形成的支链结构同样可发挥异相成核作用,促进晶核的形成[13]㊂随着等温结晶时间延长,恒温100s后,PM和PMD中形成111林业工程学报第8卷的晶核数量明显多于未改性PP恒温300s时的晶核数量,且PM和PMD晶体的尺寸明显小于PP㊂这是由于晶核的形成主要依靠PP分子链的运动,未改性PP中形成的晶核数量少,较长的结晶周期导致形成的晶核尺寸较大㊂原位接枝改性后,MAH基团和支链结构作为异相成核剂,加快了晶核的形成,形成的晶核在生长过程中互相碰撞,导致球晶尺寸明显减小㊂图1㊀聚合物基体在129ħ的等温结晶显微图Fig.1㊀Polarizedopticalmicrographsofpolymermatrixonisothermalcrystallizationfrommelts(Tc=129ħ)2.2㊀改性材料等温结晶DSC曲线分析改性前后PP基体及其复合材料在不同结晶温度Tc下的结晶热焓随时间的变化曲线见图2㊂由图2可见,各样品的结晶峰位置随Tc升高向右发生偏移,结晶峰变宽,结晶所需要的时间延长㊂这是由于较高的结晶温度下,聚合物分子链和链段的运动加剧,分子链段需要更长的时间形成有序排列,难以形成稳定的晶核,因而PP链段达到完全结晶时需要更长时间[9]㊂此外,在较高温度下,晶核的形成以及结晶的完善程度差异较大,导致结晶峰变宽㊂图2㊀不同温度下聚合物基体和复合材料的等温结晶DSC吸热曲线Fig.2㊀IsothermalcrystallizationDSCendothermiccurvesofpolymermatrixandthecompositesatdifferentcrystallizationtemperatures㊀㊀在129ħ时,MAH原位接枝改性后,PM的结晶放热峰位置提前,结晶峰明显变窄㊂这可归因于211㊀第2期易顺民,等:马来酸酐和二乙烯基苯共接枝对聚丙烯木塑等温结晶动力学的影响MAH基团促进了晶核的生成,而熔融接枝反应过程中PP大分子链发生了严重的断链反应,链段间作用力较弱的短链分子更易于向晶核表面扩散和有序排列,晶体生长速率的提高加快了结晶过程[14]㊂DVB与MAH共接枝改性后,PMD的结晶放热峰位置介于PP和PM之间㊂尽管MAH基团和支链结构均可促进晶核的形成,但其在一定程度上降低了PP大分子的规整性;此外,较多的MAH基团间形成的氢键以及支链形成的缠绕作用均会图3㊀不同温度下聚合物基体和复合材料的相对结晶度与时间的关系Fig.3㊀RelativecrystallizationXtversustimeforpolymermatrixandthecompositesatdifferentcrystallizationtemperatures增强链段间的相互作用,链段运动受限导致PMD的晶体生长过程受到一定程度的抑制㊂加入木粉后,在界面相容性差的WP体系中,木粉的异相成核作用使得WP结晶放热峰位置较PP提前,结晶峰变窄,这表明PP/木粉复合材料的结晶过程以异相成核为主㊂在原位接枝改性的复合材料体系中,由于界面处PP链上部分接枝的酸酐官能团与木粉表面的羟基形成化学键,进而减弱了MAH基团和木粉的异相成核能力,同时限制了界面处PP链的运动,WPM的结晶峰较PM向右移动,且结晶峰变宽;但与WP相比,WPM的结晶峰位置仍向左移,结晶峰变窄,这可归因于游离MAH基团强的异相成核能力㊂在MAH/DVB共接枝改性的PP基木塑体系(WPMD),结晶放热峰位置较PMD向左移动,峰宽基本不变㊂这是因为尽管界面处的化学键作用和物理作用减弱了MAH基团和木粉的成核能力,但木粉的加入使得支链结构引起的链缠结作用减小,游离的酸酐基团和支链结构较强的异相成核能力发挥主导,促进了晶核的形成,PP的结晶速率提高,最终表现为WPMD的结晶峰位置较WPM和WP明显左移,结晶峰变窄㊂2.3㊀改性材料等温结晶动力学行为2.3.1㊀相对结晶度不同温度下聚合物基体和复合材料的相对结晶度与时间关系见图3㊂由图3可见,各样品的相对结晶度随时间变化的曲线呈 S 形㊂其结晶过程可分为3个阶段:诱导结晶期,处于晶核形成过程,Xt基本不发生变化;结晶中期,晶体的迅速生长,使Xt快速增大;结晶后期,晶体生长变慢,直至Xt达到最大值为止[15]㊂在同一温度下(如129ħ),PM的诱导结晶期㊁结晶中期和结晶后期所需的时间均明显少于PMD,而纯PP耗时最长,这与POM观察结果一致㊂上述结果表明,尽管PMD基体中晶核更容易形成,但分子链间较大的作用力限制了晶体的生长速率,而PM基体中接枝MAH基团的成核作用以及短链间弱的分子间作用力,使得PM基体中晶体的生长更容易完成㊂在PP/木粉复合材料体系中,随着结晶温度的升高,各样品的曲线均向右移动,达到相同Xt需要更长的时间,即结晶速率降低[16]㊂这是由于结晶温度的升高,分子链段的运动增强,使得链段的聚集成核以及链段在晶核表面的折叠生长所需的时间更长,导致结晶速率降低㊂在同一温度下,复合材料达到相同的Xt所需时间从长到短依次为WP㊁WPM和311林业工程学报第8卷料体系,支链结构的异相成核作用占据主导,加速了晶核的形成,而木粉的加入减弱了分子链间的作用力,最终表现为WPMD中基体的结晶速率明显提高㊂2.3.2㊀等温结晶动力学参数PP及其复合材料等温结晶动力学参数见表3㊂由表3可见,所有样品的Avrami指数(n)并不是整数㊂这是由于聚合物在熔融状态下进行结晶时,杂质的存在和长分子链段间的相互作用使得高分子比小分子物质结晶更为复杂[16]㊂而在结晶后期,晶体之间的碰撞使得晶体的生长不再仅限于线性增长,而进入二次结晶阶段㊂因此在Avrami方程适用范围,选Xt为10% 80%时进行探讨[15]㊂在不同结晶温度下,ln[1-ln(1-Xt)]与lnt呈现明显的线性关系(图4),这表明各样品的等温结晶动力学适用于Avrami方程㊂由表3的n可以看出,原位接枝改性和木粉的加入,聚合物基体n值由2.93 3.48降低到2.32 2.99,晶体生长由三维生长为主转变为二维和三维生长方式并存,PP结晶过程的成核和晶体生长方式受到影响㊂表3㊀不同温度下聚合物基体和复合材料的等温结晶动力学参数Table3㊀Isothermalcrystallizationkineticparametersofpolymermatrixandcomposites图4㊀聚合物基体和复合材料的ln[-ln(1-Xt)]⁃lnt曲线Fig.4㊀Curvesofln[-ln(1-Xt)]⁃lntforpolymermatrixandcomposites㊀㊀随着设定Tc的升高,各样品的结晶速率常数K减小,半结晶时间t0.5延长㊂这是因为温度升高,分子链段的运动增强,成核速率下降,导致半结晶时间延长㊂在同一Tc下,塑料基体中,PM基体具有411㊀第2期易顺民,等:马来酸酐和二乙烯基苯共接枝对聚丙烯木塑等温结晶动力学的影响最大的K值和最小的t0.5值,PMD次之㊂这是由于MAH基团的成核作用缩短了PM半结晶的时间,而PMD基体分子链间较强的相互作用不利于晶体的生长过程,达到半结晶时间延长㊂纯PP中加入木粉后,木粉的成核能力使PP达到半结晶时间减少㊂MAH原位接枝改性后,部分MAH基团与木粉表面的羟基形成了化学键结合,降低了MAH基团和木粉的成核能力,PM链段的结晶速率减慢,但依然大于WP体系[15]㊂在WPMD体系中,t0.5值最小,这可归因于支链结构和游离酸酐基团的异相成核作用占主导,木粉的加入使分子链间作用力减小,因而聚合物链成核速率和晶体生长速率明显提高,最终表现为WPMD结晶速率提高㊂2.4㊀改性材料结晶活化能以n-1lnK与1/Tc作图(图5),经线性拟合得到拟合直线斜率-ΔE/R,计算得各样品的结晶活化能(ΔE)㊂其中,PP㊁PM㊁PMD㊁WP㊁WPM和WPMD的ΔE分别为370,163,202,281,257和184kJ/mol㊂原位接枝改性后,接枝MAH基团的异相成核作用降低了PP的结晶活化能,使PM更容易结晶㊂添加DVB引入支链结构后,PMD链段间的作用力增强,大分子链转移到晶体表面的生长受限,进而导致ΔE的增大,结晶速率减慢㊂在复合材料体系,由于WP中组分界面相容性差,PP分子链段可在木粉表面迅速成核,加快了结晶过程,使得结晶活化能降低[9-10]㊂在原位接枝的增容体系中,WPMD具有比WPM更低的结晶活化能,更容易结晶㊂这是因为PMD基体中加入木粉后,基体分子链间的相互作用减弱,而界面处的化学键结合有限,木粉的成核效应仍发挥主导作用,最终表现为WPMD体系比PMD基体的结晶活化能更低,更容易结晶㊂图5㊀聚合物基体和复合材料的n-1lnK/Tc曲线Fig.5㊀Curvesofn-1lnK/Tcforpolymermatrixandcomposites2.5㊀改性材料平衡熔点以Tm对T0m作图,将所得拟合直线与Tm=Tc直线相交,交点即平衡熔点(T0m)㊂PM(178ħ)和PMD(171ħ)的T0m值均低于纯的PP(182ħ),表明其晶体的热稳定性较低㊂结合图1中的结果,PM和PMD具有更快的成核速率,形成的晶体尺寸较小,晶体的生长并不完善,因此其T0m值较低㊂加入木粉后,WP(185ħ)体系的T0m值大于纯PP基体的T0m(图6)㊂这是由于基体链段在木粉表面的排列受基体与木粉界面相互作用的影响,而木粉的成核作用使得基体链段在木粉表面能更好地排列,形成了更厚的晶体,从而提高了晶体的热稳定性[10]图6㊀聚合物基体及其复合材料的Tm与Tc的关系曲线Fig.6㊀RelationshipcurvesbetweenTmversusTcofpolymermatrixanditscomposites在相容体系等温结晶条件下,界面结合增强,木粉表面较高的成核密度将促使生成热稳定性更好的横晶[5],因此WPM(179ħ)和WPMD(175ħ)体系表现为比基体PM和PMD更高的T0m㊂对比各复合体系,结晶速率更快的WPMD表现为最低的T0m,这说明其晶体生长的完善程度低,在木粉表面形成的横晶数量较少㊂因此,改性PP基木塑复合材料的成型加工过程中,可通过优化挤出工艺进而调控基体的结晶速率和结晶度等,从而得到性能较优的木塑复合材料制品㊂3㊀结㊀论笔者研究了原位共接枝改性对PP基体及其木塑复合材料的等温结晶动力学的影响,通过Avrami方程㊁Arrhenius方程和Hoffman⁃Weeks外推法计算了等温结晶动力学参数,以研究原位共接枝改性的PP及其木塑复合材料的等温结晶的特点,具体结论如下:1)MAH和DVB共接枝改性引入的MAH基团511林业工程学报第8卷和支链结构可作为异相成核点提高PP基体结晶过程中晶核的生长速率㊂2)在复合体系中,界面相容性的提高会降低木粉和MAH基团的成核能力,但DVB添加引入的支链结构提高了晶核的形成速率,复合材料的结晶速率提高㊂3)Avrami方程适用于分析原位接枝改性木塑复合材料的等温结晶动力学,原位接枝改性以及木粉添加后,PP晶体的生长方式由三维生长变为二维与三维生长同时进行,复合体系的等温结晶属于典型的异相成核机理;Arrhenius方程和Hoffman⁃Weeks外推法适用于计算原位接枝木塑复合材料的等温结晶活化能和平衡熔点,木粉的加入可减弱支链结构的链缠结作用,复合材料中PP链段的结晶活化能减小,晶体生长的完善程度降低,共接枝改性木塑成型加工温度的选择较未改性体系降低㊂参考文献(References):[1]FARUKO,BLEDZKIAK,FINKHP,etal.Biocompositesre⁃inforcedwithnaturalfibers:2000-2010[J].ProgressinPolymerScience,2012,37(11):1552-1596.DOI:10.1016/j.prog⁃polymsci.2012.04.003.[2]FRIEDRICHD.ThermoplasticmouldingofWood⁃PolymerCom⁃posites(WPC):areviewonphysicalandmechanicalbehaviourunderhot⁃pressingtechnique[J].CompositesStructure,2021,262:113649.DOI:10.10166/j.compstruct.2021.113649.[3]ZHANGXL,DUANJT,ZHOUGM,etal.Nanosiliconcar⁃bide⁃treatedwheatstrawfiberreinforcedhigh⁃densitypolyethylenecomposites[J].IndustrialCropsandProducts.2022,182:114834.DOI:10.1016/j.indcrop.2022.114834.[4]YISM,XUSH,LIY,etal.Synergistictougheningeffectsofgraftingmodificationandelastomer⁃olefinblockcopolymeradditiononthefractureresistanceofwoodparticle/polypropylene/elastomercomposites[J].Materials&Design,2019,181:107918.DOI:10.1016/j.matdes.2019.107918.[5]XIEYJ,HILLCAS,XIAOZF,etal.Silanecouplingagentsusedfornaturalfiber/polymercomposites:areview[J].Compos⁃itesPartA:AppliedScienceandManufacturing.2010,41(7):806-819.DOI:10.1016/j.compositesa.2010.03.005.[6]MOHANTYAK,VIVEKANANDHANS,PINJM,etal.Com⁃positesfromrenewableandsustainableresources:challengesandinnovations[J].Science,2018,362(6414):536-542.DOI:10.1126/science.aat9072.[7]YISM,XUSH,FANGYQ,etal.Effectsofmatrixmodifica⁃tiononthemechanicalpropertiesofwood⁃polypropylenecomposites[J].Polymers,2017,9(12):712.DOI:10.3390/polym9120712.[8]莫志深.一种研究聚合物非等温结晶动力学的方法[J].高分子学报,2008(7):656-661.DOI:10.3321/j.issn:1000-3304.2008.07.005.MOZS.Amethodforthenon⁃isothermalcrystallizationkineticsofpolymers[J].ActaPolymericaSinica,2008(7):656-661.[9]许世华,房轶群,王清文.木粉/低熔点尼龙6复合材料的非等温结晶动力学[J].复合材料学报,2021,38(7):2218-2223.DOI:10.13801/j.cnki.fhclxb.20200902.002.XUSH,FANGYQ,WANGQW.Non⁃isothermalcrystallizationkineticsofwoodpowder/lowmeltingpointpolyamide6composites[J].ActaMateriaeCompositaeSinica,2021,38(7):2218-2223.[10]卢林刚,江伟,杨守生,等.新型无卤膨胀阻燃低密度聚乙烯复合材料的非等温结晶动力学[J].材料研究学报,2014,28(4):300-307.DOI:10.11901/1005.3093.2013.701.LULG,JIANGW,YANGSS,etal.Isothermalcrystallizationkineticsofanovelhalogen⁃freeintumescentflame⁃retardantlow⁃densitypolyethylene[J].ChineseJournalofMaterialsResearch,2014,28(4):300-307.[11]于晓强,王静媛,李峰,等.马来酸酐接枝聚丙烯的等温结晶动力学研究[J].高分子学报,1998(1):26-31.DOI:10.3321/j.issn:1000-3304.1998.01.005.YUXQ,WANGJY,LIF,etal.Kineticsofisothermalcrystal⁃lizationformaleicanhydridegraftpolypropylene[J].ActaPoly⁃mericaSinica,1998(1):26-31.[12]ZHANGZJ,WAND,XINGHP,etal.Anewgraftingmonomerforsynthesizinglongchainbranchedpolypropylenethroughmeltradicalreaction[J].Polymer,2012,53(1):121-129.DOI:10.1016/j.polymer.2011.11.033.[13]GUANY,WANGSZ,ZHENGAN,etal.Crystallizationbe⁃haviorsofpolypropyleneandfunctionalpolypropylene[J].JournalofAppliedPolymerScience,2003,88(4):872-877.DOI:10.1002/app.11668.[14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