实验1 聚丙烯的结晶形态与性能 - 材料科学与工程基础实验中心.PDF

实验 1 聚丙烯的结晶形态与性能 聚丙烯（PP ）是性能优良、应用广泛的通用塑料，具有机械性能好、无毒、密度低、 耐热、耐化学品、易于加工成型等优点。但是在聚丙烯的一些实际应用中，经常遇到改善 聚丙烯的光学透明性、提高制品的力学性能（刚性和韧性）和耐热性能、缩短加工成型周 期等要求。这些问题涉及到聚合物的结晶速度、结晶形态、以及聚合物结晶结构与力学性 能、光学性能、耐热性能之间的关系等高分子物理的基本理论和知识。本实验采取在聚丙 烯中加入成核剂的方法，通过成核剂的异相成核作用，加快聚丙烯的结晶速度，改善结晶 形态，进而提高聚丙烯的力学性能、光学性能和耐热性能。通过该实验，进一步理解聚合 物的结晶形态与聚合物宏观物理性能的关系。 一、实验目的 1 ．综合运用高分子物理的基本知识分析和理解成核剂与结晶速度和结晶形态的关系， 结晶形态与力学性能、热性能、光学性能之间的关系； 2 ．熟悉并掌握聚合物结晶形态观察、结晶速度测定、力学性能测定、耐热性能的测定 方法； 3 ．掌握常用高分子科学手册的查阅，正确、规范地书写高分子物理实验报告。 二、实验原理 聚丙烯的聚集态结构由晶区和非晶区两部分组成，而晶区则往往是由称为球晶的多晶 聚集体所组成，球晶的尺寸一般在 0.5 ～100μm 之间。由于晶区和非晶区的密度和折光率不 同，而且晶区的尺寸通常大于可见光的波长（400 ～780nm ），所以光线通过聚丙烯时在两相 的界面上发生折射和反射，导致聚丙烯制品呈现半透明性。另外，由于结晶部分的存在， 结晶聚合物较相应结构的非晶聚合物有更好的机械强度和耐热性。近年来，聚丙烯透明化 成为新产品开发的一个亮点，聚丙烯透明化产品在包装容器、注射器、家庭用品等领域的 用量急剧增加。加入结晶成核剂是聚丙烯透明化的主要改性技术。 使用成核剂改进聚丙烯透明性的关键是减少球晶或晶片的尺寸，让它小于可见光的波 长。在结晶聚合物中添加结晶成核剂，通过其异相成核作用，一方面可以提高结晶速度， 缩短成型周期；另一方面可以增加聚合物的结晶度，从而提高聚丙烯的刚性和耐热性；最 重要的是，加入成核剂大大增加了晶核密度，导致球晶尺寸明显降低，聚合物的透明性得 到改善。 聚丙烯成核剂一般具有以下要求： 1 ） 自身的熔点高于聚合物的熔点且不分解； 2 ） 能减少晶核的界面自由能，能吸附大分子于其表面，且很好地被聚合物浸润； 3 ） 能均匀、微细地分散于聚合物之中； 4 ） 最好有与聚合物类似的结晶结构； 表1 添加成核剂对聚合物性能的影响 优 点 缺 点 成型加工性能 成型周期缩短；成型窗口扩大； 收缩率增大 刚性增大；热变形温度增高； 物理机械性能 韧性下降 透明度增加；表面光泽改进 三、实验材料和仪器 本实验使用的原材料为聚丙烯树脂和含有山梨醇苄类成核剂的聚丙烯母粒。主要仪器 设备包括： 偏光显微镜 示差扫描量热计（DSC ） 热变形温度试验仪 简支梁塑料冲击试验机 拉力试验机 塑料注塑机 四、实验内容 1 ．聚丙烯与成核剂的混合以及试样的制备 将聚丙烯树脂与成核剂母料接照一定配比均匀混合，在塑料注塑机上制成供测试和表 征用的样品。简支梁冲击试验的试样尺寸为：120mm×15mm×10mm ，缺口为试样厚度的1/3 ， 缺口宽度为 2mm ；拉伸试验的试样为哑铃状，工作部分尺寸为：100mm×15mm×4mm ，热 变形温度测定试验的试样长度为 120mm ，高度为15mm ，宽度为10mm ，厚度为 3.0 ～4.2mm。 2 ．聚丙烯结晶形态的分析表征 使用偏光显微镜观察并表征加入成核剂前后聚丙烯结晶形态的变化。研究聚合物结晶 形态的主要方法有电子显微镜法、偏光显微镜法、小角光散射法等，偏光显微镜法是目前 实验室中较为简便而实用的方法。球晶中聚合物分子链的取向排列引起了光学的各向异性，