β成核剂对PP流变性能及纤维力学性能的影响

徐 德 增， 韩 笑， 郭 静， 程 雪

( 大连工业大学 化工与材料学院， 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

聚丙烯纤维是四大合成纤维发展潜力较大的品种，已是第二大合成纤维品种[1]。其最突出优点是熔点低，可以与很多后整理助剂和新功能助剂共混来改变其自身性能。β成核剂是一种改性材料的助剂，用β成核剂改性聚丙烯在塑料方面的应用已有文献报道[2-5]，β成核剂能促进分子的结晶过程和加快结晶速度，使分子具有微晶结构[6]，从而可以改变塑料产品的物理性能[7]，但就该成核剂在纤维领域的应用却鲜见报道。本研究用β成核剂改性聚丙烯，根据β成核剂的异相成核机理，用熔融纺丝法制备共混纤维，对纤维的流动性能和力学性能进行了分析，并探讨了影响纤维性能的因素。本研究证明β成核剂的加入，可以降低纺丝温度，提高纤维的韧性，扩大聚丙烯纤维的应用范围并为材料后加工成型条件的确定提供参考。

1 实 验

1.1 仪器和原料

聚丙烯(PP)，中国石油辽阳石油分公司烯烃厂产，代号71735，tm=170 ℃(YG252A熔点仪)；β成核剂，大连工业大学自制；毛细管流变仪，CFT-500，日本岛津公司；电子单纤维强力仪，LLY-06E型，莱州市电子仪器有限公司；纺丝机，φ25，上海金纬机械制造有限公司。

1.2 共混物的制备

1.2.1 共混物的组成

将β成核剂与PP混合，共混比例见表1。用螺杆将其共混铸带，铸带温度为210 ℃。用切粒机切粒。

表1 PP/β成核剂共混物组成Tab.1 Composition of PP/β nucleating agent blends

1.2.2 纺丝条件

将PP与β成核剂按比例通过物理方法进行共混，保证β成核剂均匀黏附在PP表面，再经单螺杆挤出机进行熔融纺丝，挤出机的一区、二区、三区温度均设定在240 ℃，螺杆转速为1～17 r/min，熔体温度为200～250 ℃，卷绕速度为300 m/min，熔体挤出初速为3.25 m/min。

1.3 共混物的表征

1.3.1 流变性能的测试

采用日本岛津公司的CFT-500型毛细管流变仪，将共混体质量分数为0、0.2%、0.5%、0.7%的共混物按每次1.0 g加入流变仪，流变仪压力分别为1.04×104、2.61×104、4.17×104、5.22×104、6.26×104Pa，实验温度分别为200、220、240 ℃。毛细管直径0.5 mm；毛细管长度15 mm；温度精度±0.2 ℃；预热时间60 s。

1.3.2 力学性能的测试

采用LLY-06E型电子单纤维强力仪进行拉伸强度测试。取一定长度的纤维，用强力仪上下两个空气夹将纤维夹紧，设定参数后测试质量分数分别为0、0.2%、0.5%、0.7%改性纤维的断裂强度。拉伸温度为20 ℃，拉伸隔距10 mm，拉伸速度20 mm/min。

1.4 计算公式[8]

2 结果与讨论

2.1 β成核剂对PP流变性能的影响

2.1.1 同一温度不同组分下剪切应力对剪切速率的影响

(a) 200 ℃

(b) 240 ℃图1 剪切应力对剪切速率的影响Fig.1 Effects of shear stress on shear rate

表2 非牛顿流动指数与β成核剂质量分数的关系Tab.2 Effects of β nucleating agent contain on non-Newtonian index

由图2可见，共混体系是典型的假塑性流体，流体的表观黏度随剪切速率的增加而减少，出现“切力变稀”现象。这是因为:一方面剪切速率增大，大分子构象发生变化，长链分子偏离平衡构象，并沿流动方向取向，结果使大分子运动相对容易；二是由于β成核剂起到了润滑的作用，并随着质量分数的变化而变化，当β成核剂质量分数增加后，润滑的程度也增加，这样就削弱了分子间的作用力，使得流动阻力下降，进而表观黏度下降。

图2 200 ℃时剪切速率对表观黏度的影响Fig.2 Effects of shear rate on apparent viscosity ηa at 200 ℃

2.1.3 不同β成核剂质量分数在相同剪切应力时温度对表观黏度ηa的影响

如图3所示，表观黏度随着温度的提高即1/T的下降而下降，这是因为大分子的流动是通过分子链段的协同作用来实现的，温度升高既可提高分子跃迁能力，又可增加自由体积，因此大分子更易于流动，黏度下降。图3还可见lnηa-1/T有很好的线性关系，符合阿累尼乌斯方程[10](lnηa=lnA+ΔEη/RT)，由曲线的斜率可得出黏流活化能ΔEη。

由表3可见，ΔEη随着β成核剂质量分数的增加而增加，ΔEη越大则温度对黏度的影响越大，从而不利成型稳定，即加工时应注意控制相应的温度。

图3 温度对表观黏度的影响Fig.3 Effects of temperature on the apparent viscosity ηa

表3 黏流活化能ΔEη与β成核剂质量分数的关系Tab.3 Effects of β nucleating agent contain on viscous flow activity energy

2.2 β成核剂对PP力学性能的影响

从图4可以看出，随着β成核剂质量分数的增加，共混体系的断裂强度逐渐下降。这是由于β成核剂的加入可以使聚丙烯的结晶体积变小，结晶速度加快，数量增加，结晶度变高。β晶型聚丙烯球晶的形态是由捆束状生长的晶片束组成，球晶的致密程度比较低，因此晶片束之间的非晶区就很容易被拉开形成微银纹或微孔穴，因此模

图4 β成核剂对聚丙烯力学性能的影响Fig.4 Effects of the β nucleating agent on the mechanical properties of PP

量下降，导致断裂伸长升高，从而断裂强度下降[11]。而在β晶的多孔结晶区域中存在大量的连续分子链连接形成的扩展型链段，这使得β晶的材料在破坏时可吸收较多能量，显示较好的韧性。

3 结 论

(1)β成核剂与PP的共混物，其非牛顿指数随β成核剂添加量的增加而减小，为假塑性流体，其表观黏度随剪切速率的增大而减小，随温度的增大而减小，且均为线性关系。黏流活化能随着β成核剂质量分数的增加略有增大，且当β成核剂质量分数为0.7%时，ΔEη=45.3 kJ/mol。黏温依赖性增大，加工时应注意对温度控制。

(2)随着β成核剂质量分数的增加，纤维的断裂伸长逐渐升高，断裂强度逐渐下降，聚丙烯的结晶体积变小，结晶数量增加，材料的韧性逐渐增加。

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