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近二十年来,共混已经成为一种简便而有效地制备新的具有高性能高分子材料的重要方法。而聚合物间的相容性及相分离往往决定共混物的最终性能,因而对聚合物共混物的相容性和相分离行为也成为研究热点。近十年来对聚合物和小分子的共混物制备和性能研究成为新材料的一个新的方向,小分子与聚合物具有不同的熔融行为,通过对聚合物和小分子共混,考察共混物的相分离以及相分离机理是一个比较新的内容。本课题将围绕半结晶聚合物高密度聚乙烯(HDPE)和低分子量石油树脂共混(在共混物中HDPE含量低于石油树脂的含量),分析共混物的相分离行为、机理以及结晶动力学等,是非常具有意义的课题。
本文通过熔融共混方法,将高密度聚乙烯和石油树脂共混,考察了共混物的相分离行为和石油树脂对HDPE热性能的影响。
首先研究了HDPE和不同种类、分子量的石油树脂的共混情况。偏光显微镜(POM)和扫描电子显微镜(SEM)结果表明HDPE和石油树脂形成相互贯穿的双连续网络结构。同时通过对HDPE和不同种类石油树脂熔融共混物的热性能分析,表明熔融共混物中HDPE熔点比纯HDPE熔点低,但是结晶度比纯HDPE结晶度高,说明石油树脂对HDPE结晶具有一定程度的促进作用。
通过对HDPE/石油树脂P-100共混体系的研究,表明熔融共混物在冷却过程中发生相分离,HDPE先形成尺寸较小的网络结构,然后随温度的降低网络结构粗化,当网络结构达到临界尺寸时两相相互连接。说明共混物在相分离初期是旋节线分离机理,然后后期转变为成核一生长机理。同时通过用热台测定共混物的浊点,说明HDPE/P-100共混体系具有最高临界溶液温度(UCST),该体系的UCST为135℃,临界浓度约为20wt%HDPE。
在熔融共混过程中,石油树脂P-100对HDPE结晶具有明显的影响,熔点随着共混物中HDPE的含量降低往低温方向偏移,同时结晶度比纯HDPE结晶度大。同时考察了退火对HDPE/P-100共混物性能的影响。随着退火温度的升高,共混物中HDPE的熔融峰位置变化很小,但峰形变窄,说明退火处理时能够形成更完善的HDPE晶体。而随着退火时间的延长,在一定时间范围内,共混物中HDPE的熔融峰位置变化很小,峰形变化不大;但是广角X-散射(WAXD)表明随着退火时间的延长,由于P-100对HDPE的异相成核作用,HDPE形成不同的晶形。
用Jeziorny方程表征了HDPE、HDPE/P-100结晶初始阶段的非等温结晶动力学。在纯HDPE样品中,在结晶前期,Avrami指数n1在1.0~1.5之间,说明HDPE一维生长成核,而在后期,n2在2.0~2.5之间,是因为球晶碰撞等原因使结晶的生长受到限制而二维生长。而在共混物中n1和n2与纯HDPE相比都要小,说明石油树脂P-100的加入一定程度上限制了HDPE的结晶成长维数,表明P-100对HDPE结晶有异相成核的趋势。结晶速率常数Zt随降温速率的升高而显著升高。
同时共混物熔融结晶的非等温结晶动力学的结果表明共混物结晶活化能AE小于纯HDPE的活化能△E;HDPE和石油树脂P-100共混后,HDPE的成核活性提高,在HDPE含量为15wt%和25wt%时,成核活性比HDPE含量为40wt%的成核活性高。
在HDPE/P-100共混体系中加入POE可以明显地改善HDPE和P-100之间的界面作用力。同时通过偏光显微镜和SEM观察,HDPE/P-100/POE共混体系形成双连续的网络结构,网络结构尺寸随聚合物含量的增加而减小。
通过DMA和力学性能分析,在三元共混物中,当POE含量低于HDPE含量时,POE主要包覆在石油树脂表面;当POE含量高于HDPE含量时,POE分为两部分,一部分粘附于石油树脂P-100表面,另一部分分散在HDPE中,并且POE在共混物中存在一个临界浓度。同时用TEM图谱佐证了DMA和力学性能的分析,进一步说明POE在共混体系中的分布状态。