金属基质对结晶聚合物加工的影响机理

摘要

由于高聚物结晶在工艺和实验中往往处在与金属基质接触的状态，基质的性质将会影响其结晶过程。本文以流变实验为主要的实验手段，结合差示扫描量热仪(DSC)测量、偏光显微镜观察，表面能测量技术等为辅助实验方法，研究了金属基质对高聚物材料的静态结晶和剪切诱导结晶的影响。研究发现，无论是采用高密度聚乙烯(HDPE)还是等规聚丙烯(iPP)，样品在铝和不锈钢基质中的静态结晶的速度都是不相同的，在铝基质中的结晶速率均快于在不锈钢基质中的结晶速率，且随着等温结晶温度的升高，结晶速率的差别增大。在HDPE的结晶实验中我们发现，样品在不锈钢基质中等温结晶的样品所能达到的结晶程度低于在铝基质上结晶的样品，此外，HDPE在不锈钢基质上结晶时，达到液固转变点所需的时间要长于铝基质，且达到转变点时出现的屈服模量值也低于在铝板上结晶的HDPE样品。因此，样品在铝和不锈钢基质中的结晶机理可能不相同。在对iPP的等温结晶传热仿真计算中，发现基质的导热能力并非造成结晶速率区别的主要因素。实验发现，铝和不锈钢基质使熔体在靠近基质壁面处发生了异相成核，晶核在结晶过程的早期生成并生长，形成横晶并深入熔体内部(在130℃时横晶层厚度约为0.2mm)，从而影响整个iPP样品的结晶。由于不锈钢和铝基质的表面自由能不同，造成的界面处熔体的异相成核能力不同(铝基质的表面自由能高于不锈钢基质在铝基，iPP/铝基质的界面成核能力较强)，从而导致了iPP样品在铝和不锈钢基质中的整体结晶速率的区别。实验中，我们还发现，在DSC的等温结晶过程中，由于采用的铝制坩埚的表面能较高，iPP的薄片样品受界面结晶影响，得到的结晶曲线主要反映的是界面结晶。
　　 在iPP的剪切诱导结晶实验中，我们发现，样品在铝和不锈钢基质上的结晶速率也不相同，在铝基质上的结晶速率大于不锈钢基质。iPP过冷熔体流变曲线的间距依赖现象表明，在等温结晶发生前，基质对iPP过冷熔体进行的预剪切过程中易发生壁面滑移现象，滑移程度和基质的表面自由能密切相关。样品在表面自由能较高的铝基质上的滑移程度较小，因此在相同表观剪切速率下熔体的实际剪切速率较大，剪切所形成的晶核密度较大，从而使得结晶速率高于不锈钢基质中的结晶速率。通过偏光显微镜观测实验，我们得到了iPP在铝基质上的实际剪切功和晶核密度的关系。实验结果表明，iPP样品的晶核密度随剪切功的增加而增大，在低剪切速率下，这种关系和剪切速率无关，但在高剪切速率下，剪切功相同时，剪切速率越大，样品剪切诱导所生成的晶核密度越大。