徐翔民,葛玉萍,張予東,張治軍
(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,河南 開封475004;2.河南大學(xué)特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 開封475004)
PA66/可反應(yīng)性納米SiO2復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶動力學(xué)
徐翔民1,2,葛玉萍1,張予東2,張治軍2
(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,河南 開封475004;2.河南大學(xué)特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 開封475004)
通過雙螺桿擠出機(jī)制備出聚酰胺(PA)66/可反應(yīng)性納米SiO2(RNS)復(fù)合材料,采用Jeziorny法和 Mo法對其非等溫結(jié)晶行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,RNS具有較強(qiáng)的異相成核能力,能提高PA66的結(jié)晶速率,并使PA66的晶體結(jié)構(gòu)和生長機(jī)制發(fā)生改變;通過對比PA66及其復(fù)合材料的結(jié)晶活化能發(fā)現(xiàn)RNS能夠降低PA66的結(jié)晶活化能。
聚酰胺66;可反應(yīng)性納米二氧化硅;復(fù)合材料;非等溫結(jié)晶
PA66作為一種具有優(yōu)良力學(xué)性能和良好可加工性的工程塑料,其改性研究一直受到廣泛關(guān)注[1-3]。近年來,隨著納米材料制備工藝的不斷發(fā)展和完善,納米材料在PA66中的應(yīng)用研究開始逐漸升溫,但這方面的工作主要集中在 PA66/納米蒙脫土復(fù)合材料上[4-5]。對于目前在納米填料領(lǐng)域中使用量較大的RNS,其在PA66中的應(yīng)用還少有報(bào)道。基于此,筆者對PA66/RNS復(fù)合材料進(jìn)行了深入研究。在前期研究中[6],主要考察了PA66/RNS復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱性能,發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量隨RNS含量的增加而提高。當(dāng)RNS含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)時,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大,增幅為11%;彈性模量則在RNS含量為5%時達(dá)到最大,增幅為30%。不僅如此,加入RNS還使PA66的熱穩(wěn)定性和熱動態(tài)力學(xué)性能得以大幅提高。
對于PA66這種半結(jié)晶聚合物,在納米填料加入后,所得復(fù)合材料的性能受較多因素的影響,不僅與基體/納米填料的界面結(jié)構(gòu)有關(guān),還與PA66的晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)有關(guān)[7]。界面結(jié)構(gòu)對PA66/RNS復(fù)合材料性能的影響在前文中已經(jīng)討論,因此進(jìn)一步的研究主要集中在晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)對復(fù)合材料性能的影響上。當(dāng)采用RNS對PA66進(jìn)行填充改性時,PA66的結(jié)晶行為會發(fā)生改變,而結(jié)晶行為的改變會使PA66的晶體形態(tài)和晶粒尺寸發(fā)生變化,從而影響復(fù)合材料的性能。由此可以看出,加入RNS后,PA66結(jié)晶行為的變化情況將直接影響復(fù)合材料性能的改善。由于納米復(fù)合材料的制備基本上都是在非等溫條件下進(jìn)行,那么考察非等溫條件下納米粒子對PA66結(jié)晶行為的影響就顯得非常有意義。
本文在制備出PA66/RNS復(fù)合材料后,首先通過透射電子顯微鏡和X射線衍射儀觀察和分析了復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu),然后借助于差示掃描量熱儀對PA66/RNS復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶行為進(jìn)行了深入研究。
PA66,EPR27,中國平頂山神馬集團(tuán);
RNS,河南大學(xué)河南省納米材料工程技術(shù)研究中心。
雙螺桿擠出機(jī),W50EHT,德國Brabender公司;
注射成型機(jī),ES200/45,奧地利Engel公司;
紅外分析儀(FT-IR),AVATAR360,美國 Nicolet公司;
透射電子顯微鏡(TEM),JEM-2010,日本電子株式會社;
X射線衍射儀(XRD),X′Pert Pro,荷蘭Philips公司;
差示掃描量熱儀(DSC),DSC822e,瑞士Mettler公司。
RNS制備:通過原位表面修飾法[8],硅烷偶聯(lián)劑KH550為表面修飾劑,其形成機(jī)理如圖1所示。
PA66/RNS復(fù)合材料制備:所有原料在使用前均經(jīng)過100℃真空干燥處理,然后將RNS填料與PA66切片分別按質(zhì)量比1∶100、3∶100、5∶100混合均勻,并通過雙螺桿擠出機(jī)熔融共混擠出造粒,擠出溫度260~270℃,最后在注射成型機(jī)上制成標(biāo)準(zhǔn)樣條。
將一定量的復(fù)合材料試樣用甲酸溶解,并輔以超聲振蕩,待試樣溶解完全后,對溶液進(jìn)行離心分離;得到的沉淀物再次用溶劑溶解,如此反復(fù),直到離心液中檢測不到PA66溶解物;將最終分離出的RNS用甲醇洗滌并充分干燥后得到復(fù)合材料的抽提物,并對其進(jìn)行FT-IR分析;
TEM分析:采用低溫切片機(jī)制樣,通過TEM觀察復(fù)合材料切片中RNS的分散情況,放大倍率為20000倍;
XRD分析:Cu靶,Kα射線,波長為0.15406nm,掃描速度為2(°)/min,測試范圍為3°~40°;
DSC分析:在N2氣氛中,將約5mg的樣品以20℃/min的速率升溫到300℃,恒溫5min以消除熱歷史,然后分別以5、10、20、40℃/min的速率降至室溫,記錄DSC曲線。
從圖2可以看出,在 RNS譜中,1390、1560cm-1處對應(yīng)的是C—H伸縮振動峰和N—H彎曲振動峰,而2936cm-1峰的出現(xiàn)則說明有長的烷基鏈存在于RNS表面。對應(yīng)圖1可知,RNS表面已經(jīng)被改性,帶有氨基基團(tuán)的烷基鏈被化學(xué)接枝到RNS表面。將PA66和PA66/RNS復(fù)合材料譜圖進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn),PA66/RNS復(fù)合材料的譜圖中出現(xiàn)了與PA66相關(guān)的特征峰,如1640、1545cm-1處對應(yīng)的伸縮振動峰及N—H彎曲振動峰,2940、2865cm-1處對應(yīng)的C—H振動峰。特別是3310cm-1處N—H振動峰的出現(xiàn)(氫鍵)更說明了有一定量的PA66存在于RNS表面。由于PA66/RNS是經(jīng)過反復(fù)抽提處理的,因此可以認(rèn)為PA66鏈已經(jīng)與RNS表面官能團(tuán)發(fā)生了反應(yīng),并通過化學(xué)鍵合的方式接枝到RNS表面。
圖2 PA66、RNS及其復(fù)合材料的FT-IR譜圖Fig.2 FT-IR spectra for PA66,RNS and their composite
從圖3可以看出,RNS在PA66基體中分散較為均勻,但它主要是以團(tuán)聚體形式出現(xiàn),團(tuán)聚體粒徑在100nm左右。RNS這一分散特征與其表面修飾結(jié)構(gòu)及熔融共混擠出工藝有關(guān)。然而進(jìn)一步的觀察發(fā)現(xiàn),隨著納米RNS含量的增加,團(tuán)聚體越來越多,其粒徑也在不斷增大,納米顆粒分散的均勻性降低。圖4表明純PA66在20.05°和23.01°處有2個強(qiáng)衍射峰(α1和α2),分別對應(yīng)的是PA66的α晶的(100)面和(010)/(110)面。當(dāng)RNS加入到PA66基體后,其所形成復(fù)合材料的XRD譜相對于純PA66有了明顯改變。首先,隨著RNS含量的增加,復(fù)合材料的α1和α2衍射峰逐漸向大角度方向移動,表明復(fù)合材料中α晶的晶面間距有所減小。其次,復(fù)合材料的XRD譜中出現(xiàn)了PA66的γ1結(jié)晶峰,且隨著RNS含量的增加,γ1結(jié)晶峰的強(qiáng)度逐漸增加。復(fù)合材料XRD譜的上述變化顯然與RNS的添加有關(guān)。對于PA66/RNS復(fù)合材料來說,RNS與PA66分子鏈之間大量氫鍵連接及化學(xué)鍵合的出現(xiàn)增加了PA66折疊鏈間的相互作用力,使α晶的晶面間距減?。?];而且強(qiáng)烈的界面相互作用還引起了PA66分子鏈排列結(jié)構(gòu)的改變,導(dǎo)致γ晶的出現(xiàn)[10]。此外,RNS還使復(fù)合材料的α1衍射峰出現(xiàn)了一定程度的寬化,表明復(fù)合材料體系內(nèi)PA66晶粒尺寸有所減小,晶粒的不完整程度增加。進(jìn)一步對比α晶的衍射峰形狀還可發(fā)現(xiàn),復(fù)合材料的α2衍射峰強(qiáng)隨著RNS含量的增加逐漸降低,而α1衍射峰強(qiáng)度則明顯增加。α2衍射峰強(qiáng)度的降低表明RNS能夠干擾PA66的α晶在(100)面(氫鍵平面)上的有序排列,使其優(yōu)先沿(010)/(110)面生長,而α晶在氫鍵平面上有序排列受到干擾也是導(dǎo)致復(fù)合材料γ晶產(chǎn)生的主要原因。PA66/RNS復(fù)合材料中α1和α2衍射峰強(qiáng)的上述變化在PA66/黏土的研究中也被觀察到[11]。
圖3 RNS含量為1%的復(fù)合材料的TEM形貌Fig.3 TEM micrograph for PA66/composite with 1%RNS
圖4 PA66及PA66/RNS復(fù)合材料的XRD譜Fig.4 X-ray diffraction patterns for PA66and PA66/RNS composites
從圖5可以看出,隨著降溫速率的增加,PA66復(fù)合材料結(jié)晶峰的位置逐漸向低溫方向移動,且峰的形狀也逐漸寬化。由此可見,降溫速率的增加使體系結(jié)晶過冷度增加,結(jié)晶溫度降低。這是因?yàn)殡S著冷卻速率的不斷增加,PA66分子鏈規(guī)則排列進(jìn)入晶格的能力逐漸減弱,結(jié)晶過程受阻,PA66需要較大的過冷度才能結(jié)晶。而在較低溫度下PA66的活動能力降低,導(dǎo)致結(jié)晶不完整程度增加,結(jié)晶峰隨之變寬。此外,對比結(jié)晶溫度隨降溫速率增加而下降的幅度還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)降溫速率從5℃/min提高到40℃/min時,PA66的結(jié)晶溫度下降了17.3℃,而復(fù)合材料的結(jié)晶溫度則下降了21.5℃,明顯高于PA66。這說明RNS對PA66鏈段的松弛及結(jié)晶過程有明顯的阻礙作用。這種阻礙作用可能源于RNS與基體PA66分子鏈之間強(qiáng)烈的界面相互作用。
圖5 PA66及其復(fù)合材料的DSC結(jié)晶曲線Fig.5 DSC curves for PA66and its composites at different cooling rates
許多文獻(xiàn)報(bào)道了用DSC法研究聚合物非等溫結(jié)晶動力學(xué)[12-14],從處理等溫結(jié)晶的Avrami方程出發(fā)并考慮非等溫結(jié)晶的特點(diǎn),對Avrami方程進(jìn)行修正而得到一些處理非等溫結(jié)晶動力學(xué)的方法。本文采用的Jeziorny法和Mo法就是目前文獻(xiàn)中常處理非等溫結(jié)晶動力學(xué)的2種方法。
以Xt為任意結(jié)晶溫度(T)時的相對結(jié)晶度,二者之間存在下列關(guān)系:
式中 T0——結(jié)晶起始溫度,℃
T∞——結(jié)晶完成時的溫度,℃
d Hc——在有限溫度范圍dT中結(jié)晶所釋放出的焓值,J/g
據(jù)式(1)得到Xt與T 的關(guān)系,如圖6所示。隨著降溫速率的增加,PA66和復(fù)合材料達(dá)到同一相對結(jié)晶度所需的溫度明顯降低,且在相同降溫速率下,達(dá)到同一相對結(jié)晶度時PA66所對應(yīng)的溫度要高于復(fù)合材料所對應(yīng)的溫度。
圖6 PA66及其復(fù)合材料的相對結(jié)晶度與溫度的關(guān)系曲線Fig.6 Curves for relative crystallinity of PA66and PA66/RNS composites with 1%RNS againsit temperature
分析等溫結(jié)晶動力學(xué)時最常用的方法是Avrami方程,它假定相對結(jié)晶度(Xt)與結(jié)晶時間(t)有以下關(guān)系:
式中 n——Avrami指數(shù)
t——時間,s
Zt——結(jié)晶速率常數(shù)
Jeziorny法[12]就是將Avrami方程進(jìn)行修正以用于處理非等溫結(jié)晶。先將式(2)兩邊同時取對數(shù),得式(3):
由于Avrami方程中Xt是t的函數(shù),而通過DSC曲線得到的Xt為T的函數(shù),因此這里需要對其進(jìn)行時溫轉(zhuǎn)換:
式中 Ti——i時刻的結(jié)晶溫度,℃
Φ——降溫速率,℃/min
圖7給出了PA66和復(fù)合材料的Xt與t之間的相互關(guān)系,通過此圖可得到PA66和復(fù)合材料的半結(jié)晶時間(t1/2),其結(jié)果列于表2中。從圖8可以看出,在結(jié)晶初期,PA66與復(fù)合材料的lg[-ln(1-Xt)]與lgt保持著較好的線性關(guān)系,但在結(jié)晶后期,由于晶粒長大,并發(fā)生相互碰撞,限制了晶體的自由生長,使曲線出現(xiàn)偏離。由圖8中曲線線性部分的斜率和截距可以分別求出n和Zt??紤]到非等溫結(jié)晶特點(diǎn),Jeziorny認(rèn)為Zt應(yīng)該被修正,降溫速率Φ的因素應(yīng)該被考慮。假設(shè)Φ為常數(shù)或大致為常數(shù),那么非等溫結(jié)晶速率常數(shù)Zc的最終形式應(yīng)為:
圖7 PA66及其復(fù)合材料的相對結(jié)晶度與時間的關(guān)系Fig.7 Curves for relative crystallinity for PA66and PA66/RNS composite with 1%RNS vs time
圖8 PA66及其復(fù)合材料的lg[-ln(1-Xt)]與lgt的關(guān)系Fig.8 Plots of lg[-ln(1-Xt)]and lgt for PA66and PA66/RNS composite with 1%RNS
在非等溫條件下,n反映的是聚合物一次結(jié)晶時的晶體生長維數(shù),且n值越大,晶體越完善[15]。由表1可以看出,隨著Φ的增加,PA66與復(fù)合材料的n值依次出現(xiàn)了不同程度的降低,表明晶體的完善程度也在不斷降低。純PA66的n值平均為2.88,接近3,而復(fù)合材料的n值平均為2.54。由于純PA66制備過程中有其他助劑的加入,有助于PA66異相成核,這種情況下n值接近3,表明純PA66中晶體生長主要是以三維生長方式為主。對復(fù)合材料來說,其n值相對于純PA66有明顯降低,表明RNS對PA66的結(jié)晶行為產(chǎn)生了較大影響,RNS的加入進(jìn)一步降低了PA66晶體的完整程度,同時也使PA66晶體的生長方式由三維生長逐漸向二維生長過渡。此外,由表1還可以看出,無論是純PA66,還是復(fù)合材料,其半結(jié)晶時間t1/2隨著Φ的增加不斷減小,而Zc則是不斷增大,但當(dāng)Φ達(dá)到40℃/min時,二者的Zc都出現(xiàn)了一定程度的降低。這是因?yàn)榻禍厮俾实奶岣呤贵w系過冷度提高,而高的過冷度可提高PA66的成核率,大量成核點(diǎn)的出現(xiàn)減少了PA66鏈段的運(yùn)動距離。成核點(diǎn)的增多,運(yùn)動距離的縮短使PA66的結(jié)晶速率增加,半結(jié)晶時間縮短。當(dāng)Φ過高時,鏈段運(yùn)動及晶格重排嚴(yán)重受阻,制約了PA66的結(jié)晶,使體系結(jié)晶速率降低。在同一冷卻速率下,復(fù)合材料的Zc高于純 PA66,t1/2也較 PA66有所減小,說明RNS對PA66具有良好的異相成核能力。
表1 PA66及其復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶動力學(xué)參數(shù)Tab.1 Non-isonthermal kinetics parameters at different relative crystallinity of PA66and PA66/RNS composites with 1%RNS
考慮到降溫速率對結(jié)晶過程的影響,Ozawa[13]將Avrami方程推廣到非等溫結(jié)晶過程中:
式中 XT——T溫度時的相對結(jié)晶度,%
m——Ozawa指數(shù)
KT——降溫函數(shù)
對式(6)兩次取對數(shù),得到:
根據(jù)斜率m和截距l(xiāng)gKT進(jìn)行非等溫結(jié)晶動力學(xué)研究,但式(7)只適用于降溫速率較小的情況。
莫志深等[14]結(jié)合了Avrami方程和Ozawa方程,將Φ和t聯(lián)系起來,得到式(8):
進(jìn)行整理后得式(9):
式中 F(T)——單位結(jié)晶時間達(dá)到一定結(jié)晶度所需的降 溫 速 率,F(xiàn)(T)= [KT/Zt]1/m,℃/min
a——Avrami指數(shù)n與Ozawa指數(shù)m之比,即a=n/m
從圖9可以看出,PA66與復(fù)合材料均具有非常好的線性關(guān)系,這說明用Mo方法處理非等溫結(jié)晶過程是可行的,由直線斜率和截距可分別求出a和F(T),觀察表2可以發(fā)現(xiàn),樣品的a變化不大,F(xiàn)(T)隨結(jié)晶度的增加而增加,表明在相同時間內(nèi),同一種材料要達(dá)到的相對結(jié)晶度越大,其所需的冷卻速率也就越大。在相同結(jié)晶度下,復(fù)合材料的F(T)比純PA66小,表明在相同的時間內(nèi)達(dá)到同一結(jié)晶度時復(fù)合材料所需的降溫速率較小,也就是說復(fù)合材料的結(jié)晶速度要高于純PA66,這一結(jié)果與Jeziorny法處理所得結(jié)果相一致。
圖9 PA66及其復(fù)合材料的lgt與lgΦ的關(guān)系Fig.9 Plots of lgΦfor PA66and PA66/RNS composite with 1%RNS against lgt
表2 PA66及復(fù)合材料Mo法的非等溫結(jié)晶動力學(xué)參數(shù)Tab.2 Non-isothermal crystallization kinetics parameters of PA66and PA66/RNS with 1%RNS from Mo equation
Kissinger[16]提出了結(jié)晶活化能可由結(jié)晶峰溫隨降溫速率變化來決定,其表達(dá)式為:
式中 Tp——結(jié)晶峰溫度,℃
ΔE——結(jié)晶活化能,kJ/mol
圖10 PA66及其復(fù)合材料的ln(Φ/Tp2)和1/Tp之間的關(guān)系Fig.10 Plots for ln(Φ/Tp2)of neat PA66 and its composites versus 1/Tp
圖10給出了PA66及其復(fù)合材料的ln(Φ/Tp2)~1/Tp的關(guān)系,通過線性擬合,結(jié)晶活化能ΔE能夠通過直線的斜率計(jì)算得出。這里分別計(jì)算了RNS含量為0、1%、3%、5%的復(fù)合材料的ΔE,其值大小分別為256.2、208.5、211.0、211.9kJ/mol。顯然,RNS的加入降低了PA66的ΔE。由于ΔE包括初始成核自由能和熔體-晶體轉(zhuǎn)換自由能。RNS與PA66之間強(qiáng)烈的界面作用,使PA66在RNS周圍發(fā)生結(jié)晶時鏈段排列所需能量降低,即復(fù)合材料相對于純PA66降低的那部分結(jié)晶活化能由RNS與PA66的作用能提供,反映出RNS在PA66結(jié)晶過程中的異相成核作用[17]。RNS的這種異相成核能力降低PA66的初始成核自由能,提高PA66的成核率;但RNS與PA66鏈之間的相互作用也會影響PA66分子鏈的運(yùn)動,阻礙PA66晶粒的生長,反過來會引起熔體-晶體轉(zhuǎn)換自由能增加。因此,ΔE的大小取決于二者的綜合作用。本研究中,復(fù)合材料ΔE低于純PA66這一結(jié)果表明,初始成核自由能的降低對結(jié)晶活化能的影響較大。值得注意的是,初始成核自由能的降低,即RNS的異相成核作用,并沒有帶來復(fù)合材料結(jié)晶溫度的升高,這是因?yàn)镽NS雖然可以使PA66在較高溫度下成核,但成核率較低,強(qiáng)烈的鏈段阻礙作用以及較長的運(yùn)動距離限制了PA66的結(jié)晶。隨著溫度的降低,體系過冷度不斷增加,復(fù)合材料的異相成核點(diǎn)也在不斷增多,縮短了PA66鏈段運(yùn)動的距離,有效地減少了RNS對PA66鏈段運(yùn)動的阻礙,PA66的結(jié)晶速率因此大幅上升,結(jié)晶過程快速完成。綜上所述,盡管RNS具有較好的異相成核能力,但其對PA66鏈段運(yùn)動較強(qiáng)的阻礙作用,使得復(fù)合材料中PA66結(jié)晶仍需一定的過冷度才能順利完成,這也就成為復(fù)合材料結(jié)晶溫度降低的主要原因。
(1)RNS通過熔融共混的方式加入到PA66基體后,其表面官能團(tuán)與PA66鏈發(fā)生強(qiáng)烈的界面作用,使PA66鏈段以化學(xué)鍵合的方式接枝到RNS表面;
(2)RNS與PA66之間的強(qiáng)相互作用引起PA66晶體結(jié)構(gòu)的改變,導(dǎo)致γ晶的產(chǎn)生;RNS的存在還限制了PA66晶粒的生長,使晶粒尺寸減小,晶粒不完整度增加。隨著降溫速率的增加,PA66及其復(fù)合材料的結(jié)晶峰不斷變寬,結(jié)晶溫度逐漸向低溫方向移動,顯示出RNS對PA66結(jié)晶的阻礙作用;
(3)Jeziorny法和Mo法均適合處理PA66及其復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶過程。通過這兩種方法分析發(fā)現(xiàn),RNS能夠降低PA66晶體的完善程度,加快結(jié)晶速率,縮短半結(jié)晶時間,并使PA66晶體生長方式由三維生長向二維生長過渡;
(4)RNS的加入降低了PA66的ΔE,表明RNS具有良好的異相成核能力,能夠加快PA66晶核形成。
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Non-isothermal Crystallization Kinetics of PA66/Reactable Nano-SiO2Composites
XU Xiangmin1,2,GE Yuping1,ZHANG Yudong2,ZHANG Zhijun2
(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering,Yellow River Conservancy Institute,Kaifeng 475004,China;2.Key Lab for Special Functional Materials,Henan University,Kaifeng 475004,China)
PA66/reactable nano-SiO2composites were prepared in a twin-screws extruder by melt compounding.The non-isothermal crystallization of the composites and neat PA66was studied through Jeziorny and Mo methods based on DSC analysis.It showed that reactable nano-SiO2had a strong heterogeneous nucleation effect on PA66matrix.Its addition increased the crystallization rate of PA66,and led to changes in crystal structure,growth mechanism,and activation energy of PA66.
polyamide 66;reactable nano-silca;composite;non-isothermal crystallization
TQ323.6
B
1001-9278(2011)09-0048-08
2011-05-12
高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20060475001)
聯(lián)系人,xxm326@yahoo.com.cn