第23卷 第11期中 国 塑 料Vol.23,No.11 2009年11月CHINA PLASTICS Nov.,2009材料与性能
PET/滑石粉复合材料结晶性能、热性能和力学性能研究
崔 正1,张宜鹏2,张 胜1,陈 宇23
(1.北京化工大学材料科学与工程学院,北京100029;2.北京华腾工程新材料有限责任公司,北京100084)
摘 要:采用差示扫描量热仪、热重分析仪等研究了滑石粉作为成核剂对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)结晶性能、
热性能以及力学性能的影响。结果表明,滑石粉的添加量为0.5%(质量分数,下同)时,可有效改善PET的结晶性
能,结晶温度(T c)比经历相同热历程的PET空白试样提高11.36℃,且结晶完善程度随降温速率的减小而提高;非
等温结晶动力学研究发现,Jeziorny法和莫志深法更符合复合材料的非等温结晶过程,而二次结晶的存在使Ozawa
法并不适用;由于滑石粉与基体树脂相容性好并可均匀分散,从而很好地保持了原树脂的热性能,且所得复合材料的
力学性能均有所提高,其中拉伸强度提高12%。
关 键 词:滑石粉;聚对苯二甲酸乙二醇酯;结晶;结晶动力学;热性能
中图分类号:TQ323.4+1 文献标识码:B 文章编号:100129278(2009)1120015206
Study on Crystallization Behavior,Thermal and Mechanical
Properties of PET/T alc Composites
CU I Zheng1,ZHAN G Yi2peng2,ZHAN G Sheng1,C H EN Yu23
(1.College of Materials Science and Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing100029,China;
2.Beijing Huateng Hightech Co.,Ltd.,Beijing100084,China)
Abstract:The crystallization behavior,t hermal,and mechanical properties of PET/talc compo sites
were st udied using differential scanning calorimeter and t hermogravimet ric analysis.When t he
loading of talc was0.5wt%,t he crystallizatio n temperat ure was increased by11.36℃based on
neat PET.Ozawa,J eziorny and Mo met hods were used to describe t he non2isot hermal
crystallization kinetics.It was found t hat J eziorny and Mo met hods could well describe t he non2
isot hermal crystallization,while Ozawa was not suitable.Because of t he good dispersion of talc in
PET,the thermal property of PET was well maintained,and the tensile strength was improved12%.
K ey w ords:talc;poly(et hylene terep ht halate);crystallization;crystallization kinetics;t hermal
p roperty
PET是由对苯二甲酸(TA)与乙二醇(EG)经酯化、缩聚后得到的一种半结晶型热塑性饱和聚酯。于1949年由英国ICI公司完成中试,1953年美国杜邦公司率先实现了工业化生产。由于其成本低且性能好,被广泛应用于电子、电气、家电及办公电器、汽车等领域[1]。PET分子中包含柔性链段、活动困难的苯环以及极性的酯基,这赋予PET很多优异性能。如PET
收稿日期:2009207213
3联系人分子链的高度几何规整性和较大的刚性使其具有较高的力学强度、突出的耐化学性、耐热性和优良的电性能;分子中没有侧链,结构对称,满足紧密堆砌的要求,使其具有高度的结晶性和高熔点。然而PET的分子结构也决定了其玻璃化转变温度较高、结晶速度慢、模塑周期长、成型收缩率大、尺寸稳定性差、脆性大、耐热稳定性不良等缺点,使PET在应用中受到限制。因此为了提高PET的结晶性能,使其具有与聚对苯二甲酸丁二醇酯(PB T)相近的成型加工性,国内外各大公司进行了大量研究[2],其中较为经济有效的改性方法为
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・PET/滑石粉复合材料结晶性能、热性能和力学性能研究
添加成核剂[3]。
滑石粉的主要成分是水合硅酸镁,其作为成核剂起初被应用于PP的结晶改性。近年来研究发现其作为PET的结晶成核剂也同样具有促进成核的效果,且随着纳米技术的不断深入发展,滑石粉作为纳米材料被广泛应用到多种聚合物基体中。然而,更多研究关注的是聚合物/滑石粉纳米复合材料的加工制备以及宏观性能的提高与否,对滑石粉作为成核剂改善结晶性能的研究则较少。
本文通过将滑石粉与PET进行熔融共混,采用差示扫描量热仪、热重分析仪等手段研究了滑石粉作为成核剂对PET结晶性能、热性能和力学性能的影响,并初步探讨了复合材料的结晶动力学。
1 实验部分
1.1 主要原料
PET增黏聚酯切片(有光),特性黏度(0.850±01015)dL/g,上海创海聚酯材料有限公司;
滑石粉,粒径7.2μm,上海金半岛化工有限公司;
抗氧剂,B215,石家庄鼎盛化工有限公司。
1.2 主要设备与仪器
双螺杆挤出机,ZS K53,德国WP公司;
注射成型机,H TF802W2,宁波海天股份有限公司;
电热恒温鼓风干燥箱,HF G201B,黄石市恒丰医疗器械有限公司;
差示扫描量热仪(DSC),DSC260,日本岛津公司;
热重分析仪(T G),T GA250,日本岛津公司;
维卡软化点测试仪,T H6020,江都市天惠试验机械有限公司;
万能材料试验机,CM T25104,深圳新三思试验设备有限公司。
1.3 样品制备
采用普通熔融共混方法,在双螺杆挤出机中将滑石粉与PET进行熔融共混,制备含量为0.25%、0.5%、1.0%和1.5%滑石粉填充PET纳米复合材料。挤出机温度设为240～270℃,同时制备了具有相同热历史的PET空白试样。加工前原料需在120℃鼓风干燥箱内烘干4h。
注塑前,将粒料在120℃鼓风干燥箱内烘干4h除去水分,注射成型机各段温度为240～270℃。
1.4 性能测试与结构表征
DSC分析:测试前先用金属铟进行温度校正和热滞后校正,在氮气保护下将样品分别以5、10、20、40℃/min的升温速率由室温升至280℃,恒温5min 消除热历史,然后以相同的速率将样品温度从280℃降至50℃,观察结晶变化情况。之后,再以相同的速率升温至280℃,测定PET结晶样品的熔融特征。样品的质量为3～5mg;
T G分析:升温速率为10℃/min,氮气气氛,氮气流速为30mL/min,温度范围为50～550℃,样品质量为3mg左右;
按G B/T1634—1979测试样品热变形温度;
力学性能测试:拉伸强度按G B/T1040—1992测试;弯曲强度和弯曲弹性模量按G B/T1843—1996测试;缺口冲击强度按G B/T1843—1996测试。
2 结果与讨论
2.1 滑石粉对PET结晶性能的影响
2.1.1 最优添加量选择
研究成核剂对聚合物结晶过程影响的方法有很多,因此聚合物结晶速率和结晶成核的难易程度可用不同的参数来描述,其中测定等速降温过程中聚合物T c的方法最为简单。T c是结晶速率最大时所对应的温度,其值越高表明结晶性能越好,是判断结晶能力好坏的最直观的判据。由图1可以看出,随着滑石粉添加量的不断加大,结晶峰温度均向高温区偏移且逐渐提高,也就是说滑石粉的加入明显改善了PET的结晶性能。滑石粉属无机物,在PET熔体中属不熔物,当PET从熔体冷却时滑石粉作为异相成核中心,在受成核控制的异相成核过程中提高成核速率,进而加快了结晶速率
。
滑石粉添加量/%:1—0 2—0.25 3—0.5 4—1.0 5—1.5
图1 PET/滑石粉纳米复合材料非等温结晶DSC曲线Fig.1 DSC curves for PET/talc nanocomposite
结晶峰的峰形和峰面积也可作为反映聚合物结晶性能的参数,结晶峰越窄表明结晶体系形成的晶粒尺寸越均匀,峰面积越大表明结晶体系的结晶度越高。由图1可以看出,当滑石粉的添加量不断增加,结晶峰
