專利名稱：一種使聚丙烯均聚物形成片層微觀結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有機(jī)高分子材料領(lǐng)域，具體地說涉及一種通過低溫下壓力誘導(dǎo)流動(dòng)使聚丙烯均聚物形成片層特殊微觀結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
聚丙烯(PP)塑料由于其低密度、價(jià)格低廉、易成型加工的特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，但在工程材料及結(jié)構(gòu)性材料領(lǐng)域則由于其實(shí)際強(qiáng)度(尤其是沖擊強(qiáng)度)低而應(yīng)用較少。從聚合物形態(tài)學(xué)來看，制品的宏觀性能由聚合物的形態(tài)決定，而成型加工方法和加工工藝條件能影響聚合物的形態(tài)。傳統(tǒng)的加工方法一般在較高的溫度下(一般高于200℃)進(jìn)行，這使得聚合物及添加劑降解現(xiàn)象嚴(yán)重，而且傳統(tǒng)的加工方法得到的聚合物材料中，分子鏈?zhǔn)且环N無規(guī)纏繞、折疊和扭曲狀態(tài)，這使得化學(xué)鍵本身的高強(qiáng)度并沒有在宏觀上轉(zhuǎn)化為制品本身的強(qiáng)度。
注塑成型是最廣泛應(yīng)用的加工方法，近年來對(duì)注塑成型自增強(qiáng)的研究層出不窮。Bayer R K，et al.Polymer Engineering and Science 1989，29，186報(bào)道了拉伸流動(dòng)注射成型方法，在普通注塑機(jī)上實(shí)現(xiàn)了PE的自增強(qiáng)，制得了拉伸強(qiáng)度達(dá)到150MPa的試樣。王惠民，益小蘇.聚乙烯自增強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)與性能的研究.高分子材料科學(xué)與工程，1991，7，49及益小蘇.高密度聚乙烯材料的注塑自增強(qiáng)工藝研究.高分子材料科學(xué)與工程，1990，6，56～60采用普通注射設(shè)備，使國產(chǎn)HDPE(7100F)自增強(qiáng)后的強(qiáng)度和彈性模量分別提高了6倍和4倍。其最為關(guān)鍵的工藝參數(shù)是注射壓力和注射溫度，在最佳的工藝條件下注射充模過程中的拉伸流動(dòng)誘導(dǎo)分子鏈伸展取向并結(jié)晶，生成熱力學(xué)穩(wěn)定的結(jié)晶相—串晶。
另外，輥壓成型也是一種很有效的加工方法。D.C.Sun，E.M.Bergand J.H.Magill.Polym.Eng.Sci.，1990，30，635報(bào)道了PP、HDPE、PVDF和PE-PP嵌段共聚物的輥壓成型，發(fā)現(xiàn)所有輥壓成型后的試樣的機(jī)械強(qiáng)度在三個(gè)軸向方向上都有提高，并揭示了結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。但其中均未報(bào)道在加工中形成“片層狀結(jié)構(gòu)”形貌。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種使聚丙烯均聚物形成片層微觀結(jié)構(gòu)的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。
本發(fā)明的原理為以PP均聚物切片為原料，注塑成型為坯料，然后將該坯料放置于模具中，在低于PP熔點(diǎn)的溫度和一定壓力作用下，在模具中產(chǎn)生流動(dòng)，由于聚丙烯微觀結(jié)構(gòu)中的晶區(qū)與非晶區(qū)在低溫下具有不同的流動(dòng)變化性能，從而在成型材料中產(chǎn)生了“層狀結(jié)構(gòu)”，這些結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生提高了聚合物材料的力學(xué)性能。然后將成型后的聚丙烯樣品進(jìn)行熱處理，用以消除加工過程中的殘余應(yīng)力。
本發(fā)明的方法具體步驟為①聚丙烯均聚物坯料制備將聚丙烯均聚物切片通過注塑成型方法(該方法為傳統(tǒng)方法)制備成聚丙烯坯料，注塑溫度為180℃～250℃，注塑壓力為60bar～160bar；②聚丙烯均聚物坯料的壓力誘導(dǎo)流動(dòng)成型將坯料放入模具中，在10℃～140℃的溫度條件下，壓力為1MPa～2GPa，壓制1min-100min，實(shí)現(xiàn)聚丙烯均聚物低溫壓力誘導(dǎo)流動(dòng)成型。
由于聚丙烯微觀結(jié)構(gòu)中的晶區(qū)與非晶區(qū)在低溫下具有不同的流動(dòng)變化性能，從而在成型材料中產(chǎn)生了“層狀結(jié)構(gòu)”。該成型過程可以采用壓力機(jī)、液壓機(jī)或硫化機(jī)等設(shè)備，并最好成績(jī)具有一定的量程和精度，量程為25兆牛頓，精度為0.1兆牛頓。
其中步驟①中最佳的注塑溫度為190～230℃；最佳的注塑壓力為80～120bar；步驟②中壓力誘導(dǎo)流動(dòng)成型的最佳溫度為20～100℃，壓力范圍最佳為0.3～1.2GPa，壓制時(shí)間優(yōu)選為3～15min。
該方法還包括對(duì)成型后的聚丙烯樣品進(jìn)行熱處理，熱處理的溫度為50～160℃，熱處理時(shí)間為1min～240min，以消除樣品內(nèi)殘余內(nèi)應(yīng)力。
其中最佳的熱處理溫度為100～140℃，熱處理時(shí)間為10～120min。
本發(fā)明提供聚丙烯均聚物的特殊微觀結(jié)構(gòu)的加工方法的特點(diǎn)是1.該方法形成了典型的“片層狀結(jié)構(gòu)”微觀結(jié)構(gòu)的高聚物樣條，發(fā)現(xiàn)“片層狀結(jié)構(gòu)”更大地改善了材料的沖擊性能。
2.該方法成型的聚丙烯樣條，經(jīng)不同的熱處理工藝后，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能進(jìn)一步提高，源于低溫成型造成材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力的消除。
3.采用低溫壓力誘導(dǎo)流動(dòng)的方法，加工過程中溫度較低，減少了共聚物在加工成型中的能耗，改善了制品的性能。
4.由于是低溫成型，可在加工中減少了多種助劑的添加，節(jié)省了成本且減少了循環(huán)中的環(huán)境污染。
本方法具有成型工藝簡(jiǎn)單易行、能耗低等特點(diǎn)。
低溫壓力誘導(dǎo)流動(dòng)成型由于其在低溫下成型，因而避免了高溫添加劑(特別是抗氧劑)的使用，且能通過高壓誘導(dǎo)改變聚合物內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)來提高性能(特別是沖擊強(qiáng)度)。因此，對(duì)于聚丙烯材料來說，低溫壓力誘導(dǎo)流動(dòng)成型的研究有著重要的意義。


圖1.注塑成型PP截面形貌(500×)圖2.注塑成型PP截面形貌(2000×)圖3.壓力誘導(dǎo)流動(dòng)成型示意4.在50℃，1200MPa下流動(dòng)成型PP截面形貌(500×)圖5.在50℃，1200MPa下流動(dòng)成型PP截面形貌(2000×)圖6.在20℃，1200MPa下流動(dòng)成型PP截面形貌(500×)圖7.在20℃，1200MPa下流動(dòng)成型PP截面形貌(2000×)圖8.在80℃，1200MPa下流動(dòng)成型PP截面形貌(500×)圖9.在80℃，1200MPa下流動(dòng)成型PP截面形貌(2000×)具體實(shí)施方式
通過以下實(shí)施例將有助于理解本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。
實(shí)施例1采用注塑成型方法制備聚丙烯坯料(其截面形貌如圖1和圖2示)，其中注塑機(jī)料筒各區(qū)溫度設(shè)定為200℃-205℃-195℃-190℃，注射壓力為100bar。將制備的坯料放入自制的模具中壓力流動(dòng)成型(如圖3示)，在50℃及1.2GPa的壓力下，壓制5分鐘，形成特殊的“片層狀結(jié)構(gòu)”(其截面形貌如圖4和圖5示)。最后將成型后的樣品于100℃下進(jìn)行熱處理30分鐘。
實(shí)施例2按實(shí)施例1所述方法，將聚丙烯均聚物坯料在室溫下(20℃)，不同的壓力條件下實(shí)施壓力誘導(dǎo)流動(dòng)成型5分鐘(截面形貌如圖6和圖7示)，成型后未經(jīng)熱處理樣條的力學(xué)性能如下表1. 20℃，保壓5min；不同成型壓力下的力學(xué)性能

實(shí)施例3按實(shí)施例1所述方法，將聚丙烯均聚物坯料在溫度為50℃，不同的壓力條件下實(shí)施壓力誘導(dǎo)流動(dòng)成型5分鐘，成型后未經(jīng)熱處理樣條的力學(xué)性能如下表2. 50℃，保壓5min；不同成型壓力下的力學(xué)性能

實(shí)施例4按實(shí)施例1所述方法，將聚丙烯均聚物坯料在溫度為80℃，不同的壓力條件下實(shí)施壓力誘導(dǎo)流動(dòng)成型(其截面形貌如圖8和圖9示)5分鐘，成型后未經(jīng)熱處理樣條的力學(xué)性能如下表3. 80℃，保壓5min；不同成型壓力下的力學(xué)性能

實(shí)施例5按實(shí)例1所述方法，在100℃下熱處理不同時(shí)間。熱處理后樣品沖擊性能變化列表如下表4. 100℃下，不同熱處理時(shí)間下的聚丙烯的沖擊強(qiáng)度

實(shí)施例6按實(shí)例1所述方法，在140℃下熱處理不同時(shí)間。熱處理后樣品沖擊性能變化列表如下表4. 140℃下，不同熱處理時(shí)間下的聚丙烯的沖擊強(qiáng)度

權(quán)利要求
1.一種使聚丙烯均聚物形成片層微觀結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于該方法的具體步驟為①聚丙烯均聚物坯料制備將聚丙烯均聚物切片通過注塑成型方法制備成聚丙烯坯料，注塑溫度為180℃～250℃，注塑壓力為60bar～160bar；②聚丙烯均聚物坯料的壓力誘導(dǎo)流動(dòng)成型將坯料放入模具中，在10℃～140℃的溫度條件下，壓力為1MPa～2GPa，壓制1min-100min，實(shí)現(xiàn)聚丙烯均聚物低溫壓力誘導(dǎo)流動(dòng)成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟①中注塑溫度為190～230℃；注塑壓力為80～120bar。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟②中壓力誘導(dǎo)流動(dòng)成型的溫度為20～100℃，壓力為0.3～1.2GPa，壓制時(shí)間為3～15min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于該方法還包括成型后的聚丙烯樣品進(jìn)行熱處理，熱處理的溫度為50～160℃，熱處理時(shí)間為1～240min。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述的熱處理溫度為100～140℃，熱處理時(shí)間為10～120min。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種通過低溫下壓力誘導(dǎo)流動(dòng)使聚丙烯均聚物形成片層特殊微觀結(jié)構(gòu)的方法，該方法先將聚丙烯均聚物制備成坯料，然后在低溫下壓力誘導(dǎo)流動(dòng)形成“片層結(jié)構(gòu)”，該方法處理后的聚丙烯聚合物的力學(xué)性能大幅度提高，尤其是沖擊強(qiáng)度。同時(shí)對(duì)成型后的樣條進(jìn)行熱處理，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能進(jìn)一步提高。該方法具有成型工藝簡(jiǎn)單、能耗低等特點(diǎn)，在聚丙烯均聚物的加工中具有廣泛應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B29B11/00GK1923489SQ20061011624
公開日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2006年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月20日
發(fā)明者余木火, 樊振興, 敖婷婷, 焦明立, 滕翠青, 韓克清, 袁象愷 申請(qǐng)人:東華大學(xué)