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那些条件是影响frpp管结构的因素?

文章出处:admin 人气:发表时间:2017-03-21 18:25

那些条件是影响frpp管结构的因素?
2界面横晶结构的影响因素
目前,研究界面横晶多数采用单纤聚合物体系,即将单根的纤维夹人聚合物薄片中,形成所谓的“三明治”结构,通常利用热台偏光显微镜研究该试样在等温或非等温条件下的界面结晶行为,通过上述方法可以研究结晶温度、冷却速率、剪切作用等对FRPP复合材料界面横晶的影响。另外,一些课题组也研究了实际加工(如挤出、注射成型等)中的纤维和PP复合体系的界面结晶行为,如PP/玻纤(GF)复合体系、原位微纤化共混物体系、PP/亚麻复合体系等。目前研究表明,影响FRPP复合材料界面横晶的因素主要有:纤维的种类、纤维的表面处理、外场作用(温度场、流动场等)。
2.1纤维的种类
一些学者认为纤维的存在会影响结晶的成核阶段,其成核诱导时间与纤维的本性有关。Assouline等通过高模碳纤维(HMCF)、Kevlar纤维(KF)和经处理的GF进行对比实验,发现横晶的生长率不受纤维种类的影响,但成核是由纤维控制的。不同的纤维诱导成核能力不同,其界面结晶的能力不同,相应形成的界面晶体形态也不同。Varga等采用具有不同α成核能力的纤维进行静态等温结晶实验。其中,纤维对α晶核的诱导能力大小为:聚丙烯腈(PAN)<芳香族聚酰胺纤维<聚酯纤维与聚酰胺6(PA6)<聚丙烯腈基碳纤维(PCF)2.2纤维的表面处理
由于PP分子主链不含极性基团,与纤维(通常含极性基团)的亲和性较差,复合时难于形成有效的界面黏结,这一缺点导致纤维与PP基体的界面黏结性较差,影响了复合材料的力学性能。因此,为了提高FRPP复合材料界面的黏结力,通常会对纤维表面进行化学处理。研究发现纤维表面处理会影响界面结晶行为,例如,目前研究表明GF在静态结晶条件下不能诱导PP形成界面横晶,但是Cruz-Sliva等采用原位聚合在GF表面附着一·层聚苯胺,发现涂覆物可以明显地诱导α界面横晶。另外,Zhou等采用多种嵌段共聚物处理GF表面,研究发现,普通偶联剂γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(MPS)和苯乙烯偶联剂共聚物能够明显诱导界面横晶结构,而苯乙烯一丙烯酸丁酯一MPS三嵌段共聚物处理的GF不能诱导界面横晶,这是因为分子链柔软的丙烯酸丁酯链段易于消除界面处残余应力,不利于界面横晶的生长。
天然纤维因其绿色环保,目前越来越多地用于FRPP复合材料。多数天然纤维在使用前需经过化学处理,Gassan等研究了未处理的黄麻纤维、马来酸酐接枝PP和碱性处理的黄麻纤维对PP横晶生长的影响,发现横晶层的厚度和横晶生长的起始温度取决于纤维的处理方式,横晶生长率与等温结晶温度有关。Gregersen等对纤维素诱导PP形成界面横晶进行了研究,发现被酯化的纤维不具备诱导界面横晶的能力,而未被酯化的纤维素则具有诱导横晶生成的能力,并且被切碎机处理的纤维素诱导横晶的能力更强,Son等发现用氢氧化钠及木质素酶处理纤维素也有利于界面横晶的形成。 另外,在纤维中加入PP的某种成核剂,使其附着在纤维表面,在熔体冷却的过程中成核剂可诱导PP结晶,并且由于在纤维表面成核点较为密集,晶体向三维空间生长时会受到抑制,有可能在纤维和PP的界面处形成不同晶型的界面横晶。Assouline等发现在不具有成核能力的GF表面附着一定量的β成核剂可以在一定条件下形成β横晶。但由于GF本身的性质,无论怎样改变等温结晶温度都不能得到纯的β横晶。Lustiger等对GF表面涂覆了适当的成核剂,也发现了相似的现象。可见,对纤维进行必要的处理可以对FRPP复合材料界面横晶的晶型进行调控,有望使材料具有特定的性能,如高强度、高韧性等,该方法具有很好的工业化应用前景。
2.3外场作用
温度场、流动场等外场作用是影响FRPP复合材料界面结晶的重要因素。对于具有不同诱导成核能力的纤维,其诱导界面横晶所需的结晶温度也有所不同。李忠明等通过“狭缝口模挤出-热拉伸- 淬火”工艺制备了PP/PET, 微纤共混物,发现PET原位微纤对PP有良好的异相成核作用,当等温结晶温度为130℃和120℃时,可以在微纤表面形成横晶;而等温结晶温度为145℃和150℃时,只能形成球晶。研究发现,PTFE纤维界面横晶层的厚度随等温结晶温度增加而增加,在110~140℃结晶时,其横晶层厚度从30μm增加到120μm。Peron等研究了PP/氧化铝纤维体系,在结晶温度分别为125、130、133℃,冷却速率分别为20、15、8和1℃/min的条件下测定横晶层厚度随时间的变化,发现横晶层的厚度和生长率只依赖于等温结晶温度,而不是冷却速率。结晶温度越高,生长率越慢。 除温度场外,流动场(剪切流动场、拉伸流动场等)普遍存在于聚合物加工过程中,目前,流动场对FRPP复合材料界面结晶的影响得到了学术界的关注。现在 普遍认为流动场有利于界面结晶,例如,在静态条件 下,PP不能在GF表面生成横晶。但当给GF施加剪 切应力时(在单纤维体系中,结晶时缓慢拖动纤维,使 纤维表面与基体问产生剪切作用),纤维表面就可以生 成界面横晶。进一步研究表明,剪切作用是生成β 界面横晶的一种有效方法。Varga等将PP和不具 有成核能力的GF复合样品放在两个玻璃片中间,然后 通过拖动GF来剪切PP熔体,生成α排核。在适当的 结晶温度,α排核会诱导生成β晶核,从而在GF表面生 成β界面横晶。Devaux等研究了PP/GF体系的界 面横晶行为,也发现在冷却过程中对体系施加剪切应 力可诱导界面横晶,而且通过控制剪切应力强度和温 度得到α或β横晶。Peron等在研究PP/氧化铝纤 维体系的结晶行为也发现了类似现象。进一步深入研 究表面,纤维的拖动温度和等温结晶温度是影响β界 面横晶形态的重要参数,基于Chabert对等温和非等温 结晶的研究,当结晶温度小于138℃时,β—PP在拉伸纤 维的附近形成,然而当高于此温度时,只能观察到α界 面横晶。后面的发现与Thomason等发现一致,证实 当结晶温度大于140℃,等温结晶只能得到沿GF取向 方向的α界面横晶。Varga等同样也发现,当结晶温 度和GF拉伸温度都大于140℃时,只有α界面横晶生 成,然而当结晶温度等于纤维的拖动温度且小于140℃ 时,可得到沿GF取向方向生长的β界面横晶。 Assouline等在对PP/GF体系的研究也发现相似的 现象,在结晶温度大于138℃时,在GF表面只形成α 界面横晶。Leugering等发现,当剪切熔融温度在 120℃时,得到β横晶最富集的横晶结构。
除通过单纤维复合材料实验研究界面横晶外,一些研究者在实际加工条件F研究了界面横晶现象。Li等研究发现,在原位微纤化共混物制备过程中,PP在拉伸流动场和PET微纤共同作用下,在紧靠微纤表面形成了界面横晶结构,原子力显微镜照片表明纤维表面先形成Shish—Kebab结构,然后在Shish—Kebab表面形成大量的横晶,横晶中的片晶在微纤径向方向生长,但与纤维方向呈一定角度。Wang等研究了通过动态保压技术制备的含横晶结构PP/GF复合材料注塑制品,并且认为界面横晶的形成是由于在流动场下GF与基体发生相对运动,产生强的剪切作用所致。
3界面横晶结构对力学性能的影响
目前界面横晶对FRPP复合材料力学性能的影响还未得到统一的认识,但一些学者普遍认为,在FRPP 复合材料中,由于界面横晶中晶片C轴沿纤维轴向方 向取向排列,所形成的取向层能提高材料沿纤维轴向 的强度和模量;同时,因界面横晶与纤维之间的界面结 合比球晶与纤维之间的好,有利于应力从基体向纤维 的传递,削弱由界面空穴引起的应力集中及引发裂纹 的效应,因此,界面横晶对提高材料的力学性能特别是 拉伸强度有利。Zhang等考查了PP、存在界面 横晶结构的PP(TC-PP)和TC-PP/CNTs的力学性能, 发现TC-PP和TC-PP/CNTs的断裂伸长率分别为 (18±3)%和(7.0±1.6)%,而PP的断裂伸长率只 有(3.0±0.8)%,并且PP为脆性断裂。同时,他们发 现3种体系中PP的弹性模量最低,而TC-PP/CNTs的 弹性模量最高。这是由于PP存在界面横晶结构,使得 某些分子主链有取向排列。TC-PP/CNTs的强度和模 量是PP的200%,说明CNTs与PP界面横晶黏结较 好,可以使有效载荷从横晶层传递到CNTs,使材料的 力学性能提高。Li等研究PET/PP原位微纤化复 合材料,发现存在界面横晶结构试样的拉伸强度和模 量较呈球晶的试样高,特别是拉伸强度,前者较后者高 近100%。但断裂伸长率有所降低,说明其韧性有所降低。
一些学者采用单纤维复合材料作为模型化复合材料研究界面横晶与力学性能的关系。Bannister等采用拉曼光谱研究了在单根纤维存在条件下,芳族聚酰胺纤维/PP体系中纤维表面应力分布情况,发现分别存在横晶和球晶结构的体系中弹性模量和界面剪切应力的最大值并没有太大差距。但横晶区域对界面剪切应力较为敏感,他们认为是由于在纤维表面存在相当多的扭结带,使纤维表面变得粗糙所致。 Assouline等采用广角X衍射对单纤PP/Kelvar横晶体系进行了研究,发现应力主要形成在无定形相,而结晶相对施加的应力不太敏感。横晶层的力学性能与距离纤维径向距离的远近有关,距离纤维径向距离近的,其抗拉伸的能力较大,保持晶体结构完整性的能力较强。Amitay—sadovsky等对PP/HMCF横晶体系进行了研究,采用努普显微压痕硬度试验对复合体系进行了静态和动态力学性能的测试,发现横晶体系的弹性模量具有各向异性,沿轴向方向的弹性模量要比垂直于轴向方向的高20%左右。与PP球晶体系对比发现,各个方向的弹性模量都要比球晶体系的高15%~30%。
另外,特别值得提出的是含β界面横晶的PP/GF复合材料,当GF含量为40%时,与普通PP/GF复合材料相比,该材料的模量和韧性同时提高了13%。采用扫描电子显微镜观察含β界面横晶的单根纤维复合材料(基体为α晶)的破坏行为,发现裂纹首先在。晶基域引发,然后生长到β晶界面,但由于β晶聚集区的蔹坏更加规则和分布更加均匀,可以有效地阻止和延迟裂纹的进一步发展。
4 结语
到目前为止,人们对FRPP复合材料的界面结晶现象进行了广泛的研究,而且对界面结晶的影响因素有了更进一步的认识。一些FRPP复合材料已成功用于汽车、家电、电子、家具等领域。但目前学者对纤维诱导PP界面横晶的形成机理仍然研究得不够彻底,比如在结晶过程中,发生α到β晶转变的本质原因至今也没有一个明确的解释。因此,这也成为目前学者研究的一个重要的课题。另外,如何有效地利用工程手段控制FRPP排水管的界面结晶行为也将是今后的一个重要研究方向。
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