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熔融共混法尼龙66/Ca CO 3复合材料性能研究

更新时间:2009-03-28

随着我国汽车、电子、航空等工业的发展,开发高性能PA66新品种成为研究的重点方向.而尼龙纳米复合材料以其优异的性能得到了人们的重视,目前尼龙纳米复合材料的研究已取得巨大的成功,尤其在尼龙6/黏土纳米复合材料方面[1-3],关于采用纳米Si O2、纳米蒙脱土改性PA66的报道较多,而对于采用纳米CaCO3改性PA66的报道很少.纳米CaCO3具有其他纳米材料与普通碳酸钙所没有的优异性能,若能成功制得尼龙66/纳米CaCO3复合材料,会节省大量的成本,应用前景广阔.本课题选用纳米Ca-CO3改性PA66,纳米CaCO3作为成核剂[18-20]具有异相成核作用,可以改变聚合物的结晶度和结晶形态,进而影响复合材料的性能.

纳米Ca CO3成核剂对PA66的影响主要通过以下两个方面:一是纳米CaCO3对PA66的结晶行为产生影响.尼龙66在一般情况下只有α晶型,而尼龙纳米复合材料除了有α晶型,还有β晶型,纳米Ca-CO3就是通过异相成核作用来使纳米复合材料多晶型化,进而影响其性能.纳米Ca CO3作为成核剂会使聚合物形成微小的球晶,且晶体结构均一.纳米Ca-CO3的添加会限制尼龙66分子链的运动,诱导β晶型的产生,使结晶速率和结晶度提高,结晶温度降低.二是纳米CaCO3对PA66的界面产生影响.尼龙纳米复合材料中纳米粒子与聚合物的接触面积很大,而纳米粒子具有四大纳米效应,他的表面积大,表面活性高,与聚合物亲和能力强,有较强的物理化学作用,这种作用会影响材料的性能.

1 实验部分

1.1 实验试剂

实验试剂及仪器详见表1~2.

 

表1 实验主要试剂Tab.1 Major Experi mental Reagents

  

药品名称 级别 生产商家尼龙66 1300S3J1 ASAHI KASEI CHEMICALS纳米Ca CO3 工业级 山西芮城华新纳米材料有限公司制造液体石蜡 工业级 市售

 

表2 实验主要仪器Tab.2 Main Experi mental Instru ments

  

型号 名称 生产厂家CET35 高速混合机 北京英特塑料机械总厂GH-10 同向双螺杆配混挤出机 科倍隆科亚(南京)机械有限公司TK-C921EC 电热鼓风干燥箱 中国重庆银河试验仪器有限公司Q200 偏光显微镜(PL M) Victor Company Of Japan Li mited S-4800-1 差示扫描量热仪 TA STARe system 扫描电镜 日本HITACHI热重分析 MRTTLER TOLEDO

1.2 复合材料的制备

1.2.1 粒料的制备

教学督导在听课过程中发现,中职课堂教学以讲授或展示为主,即以听觉型和视觉型为主,而教师讲授并非学生最喜欢的方式,从而导致学生学习动机不强。触觉型与合作型学习风格最适合的教学方式符合现代职业教育课程观,即强调学生的参与和合作,强调个人的直接接触及体验[3]。这也许是中职生喜欢参与式课堂、喜欢基于工作过程的课程模式的心理学依据。

粤港澳大湾区内部九市二区,目前各有各的优势和特点,港澳的对外背景,广州的文化和交通,深圳的金融和科技,佛莞的轻制造业,中珠江的旅游文化资源等。通过政策统筹,实现各城市间的互补互通、协调发展,拧成区域经济的合力,去参与全球的竞争。

 

表3 双螺杆挤出机的工艺参数设定Tab.3 Technological Parameters of Twin-Screw Extruder

  

注:转速:75 r/min;喂料频率:3 Hz

 

工艺参数 参数值/℃ 工艺参数 参数值/℃一区温控 180 七区温控 260二区温控 240 八区温控 260三区温控 250 九区温控 260四区温控 260 十区温控 260五区温控 260 机头温控 260六区温控 260

2.4.2 不同恒温时间对材料结晶的影响

第一个原因可能是纳米复合材料熔融体系黏度的增加,他是由纳米碳酸钙与尼龙66基体中的分子链相互作用所致,纳米碳酸钙的添加限制了尼龙66分子链的扩散,因此导致PA66晶体生长速率降低.由于纳米碳酸钙有异相成核作用,晶体生长速率对总结晶速率起决定作用.因此,晶体生长速率的减少意味着总结晶速率的下降.也就是结晶需要在一个更广泛的温度范围内,因而吸热峰半高宽增加.

将粒状的尼龙纳米复合材料加热熔融,然后在一定压力下制片,自然冷却到室温,制好的样片将用于偏光显微镜观察球晶的形态及尺寸.

将粒状的尼龙纳米复合材料剪切成细小的微粒,质量在10 mg以下,并烘干,用于DSC和TGA检测其性能.

B:That’s wonderful.You’re really far-sighted.May Ihave a look at thefinished products?

1.3 尼龙66/纳米Ca CO3复合材料的性能测试及表征方法

纳米碳酸钙粒子在尼龙66基体中的分散情况和尼龙66与纳米碳酸钙的界面黏附对材料的性能非常重要,为了使纳米粒子分散均匀并使聚合物有一定的界面黏附,对纳米碳酸钙进行有机化表面处理,即将有机试剂插层到纳米粒子的层片间,不仅可以使纳米碳酸钙粒子表面的亲水性变为亲油性,增加与尼龙66的界面黏附;而且会使纳米碳酸钙的层间距增加,有利于尼龙66插入到层间,实现尼龙66与纳米碳酸钙在纳米级的均匀混合;同时,非反应性表面处理会降低尼龙66的表面张力,进而使纳米粒子之间、纳米粒子与聚合物之间的相互作用降低[8-10].研究表明,在对纳米粒子进行有机化处理时,不同的插层剂、插层剂用量以及有机化时间都会对纳米粒子表面处理的效果产生影响.

DSC检测分析是在流量为50.0 ml/min的氮气条件下,以Tzero Aluminum作为参考样品.

将1000 g尼龙66在设定为温度102℃的电热鼓风干燥箱中干燥6 h,然后与纳米CaCO3按照不同的配比放入高速混合机中,加入适量液体石蜡,常温混合3分钟,将混好的料放入双螺杆挤出机中挤出,最后用冷切粒机进行造切粒.双螺杆挤出机的工艺设计参数如表3,其中纳米CaCO3的质量分数为1%、2%、3%、5%,复合后的样品分别指定为PNC-01、PNC-02、PNC-03、PNC-04,纯尼龙66指定为PNC-05.

2)偏光显微镜测试(PL M).

用偏光显微镜观察样品球晶的形态及尺寸.所选用的目镜放大倍数为10 X,物镜放大倍数为20 X.

自古以来,福建人秉承“重商逐利”的传统而习惯于背井离乡、远走四方。闽商所从事的商业活动五花八门,活动的领域也经常延伸到全国与世界各地。时至今日,在各地、各国、各领域,闽商的身影随处可见,福建成为现今中国一个几乎一省之民皆为商人的特殊省份。海外闽商且不说,留守本土的闽商驰骋国内木材、建材、石材、服装、茶叶、卫生用品等诸多行业,出现了“哪里有钱赚哪里就有闽商的影子”的现象,他们走南闯北带动了市场,繁荣了当地经济,也带来了今天福建的富裕。

3)热重分析测试(TGA).

2.2.1 加强政府政策的引导 农村居家养老是一项社会福利事业,政府必须发挥其主导作用,不断加强财政支持和相关政策的引导,丰富居家养老服务内容,扩大服务对象范围,将那些“夹心层老人”经考核评估后纳入政府购买范畴。与此同时,鼓励敬老院公建民营转型,通过与市场签订合同,达成二者的合作契约关系,确保明确各自职责,二者优势互补。使老人始终处于被服务对象的中心地位,既有政府为养老院的公益性提供保障,又有社会组织提供专业化服务,从而进一步推进农村居家养老服务的社会化进程,不断提高养老服务的质量与水平,实现政府、市场与老人之间的良性互动。

TGA的检测在氮气环境中,以10℃/min的升温速率升温,记录样品重量随温度升高的变化情况.

4)差示扫描量热测试(DSC).

用扫描电镜观测样品中的纳米Ca CO3的分散情况.其中扫描电镜的加速电压为3.0 k V,放大倍数为8000倍.

2 实验结果与讨论

2.1 纳米Ca CO 3在尼龙66中的分散形态

图1为PNC-01断面的扫描电镜图片,显示了纳米碳酸钙在尼龙66中分散情况,其中球状颗粒是在尼龙66基体中分散的纳米碳酸钙.从图可知纳米碳酸钙在尼龙66基体中分散的效果不理想,主要以团聚体的形式存在.纳米碳酸钙团聚体的粒径大约1000~2000 n m,远远大于纳米复合材料所要求的尺寸(1~100 n m),并且可以观察到明显的界面边界,由此可以说明纳米碳酸钙在尼龙66基体中发生了团聚,纳米碳酸钙与尼龙66基体的界面黏附非常弱.导致纳米碳酸钙团聚的原因有两个:一是尼龙66熔体与纳米碳酸钙粒子的界面黏附比较弱;二是纳米碳酸钙粒子的表面积非常大,裸露在粒子最外层的原子活性高,因此具有高于一般粒子的表面能,为了降低表面能,粒子间相互作用发生团聚[4-7].

3.3 混合教学模式以数字化教学平台为依托,将传统的面授课堂、指导性学习、传统案例教学以及虚拟仿真教学等多种教学模式相结合,形成了一种独特的多元化、混合式的教学模式。超声医学教学作为一门桥梁课程,通过利用数字化教学平台的自主学习和相互沟通功能,注重培养超声操作技术和学生的创新能力,从而提高教学质量。

1)扫描电镜测试(SEM).

由于所用的纳米碳酸钙粒子未经表面处理,纳米粒子容易团聚,影响尼龙66/纳米Ca CO3复合材料的性能.为防止纳米碳酸钙粒子团聚,除了进行有机化表面处理外,还可以从以下方面进行改进:一是在不造成尼龙66分解的情况下,尽量延长混合时间;二是改进双螺杆挤出机的螺杆结构,或者使用带混合器的组合螺杆,增强剪切效果;三是改变工艺参数,例如机筒温度、螺杆转速等.

  

图1 PNC-01断面的SEM图片Fig.1 SEM Picture of PNC-01 Section

2.2 纳米Ca CO 3对复合材料晶体形态的影响

纯尼龙66和尼龙66/纳米CaCO3复合材料熔融后自然冷却结晶的偏光显微镜图片如图2.尼龙66分子内存在氢键,氢键的定位作用使材料呈现各向异性.从图2可以看出,成核剂对尼龙66的结晶形态有显著影响.纯尼龙66的球晶有明显的黑十字消光现象,并且球晶是由中心沿径向向四周生长的辐射状,球晶界面清晰,尺寸较大(见图2a).加入纳米碳酸钙成核剂后,球晶尺寸变小,当成核剂含量为1%时(见图2b),球晶的尺寸变化还不太明显,随着加入成核剂含量的增加,球晶尺寸越来越小,直到所加含量为5%时(见图2d),已经不能看到完整的球晶,只是一些细小的碎晶.对比图2可知,随着碳酸钙成核剂加入量的增加,球晶尺寸显著减小.这是因为,纳米碳酸钙成核剂在结晶过程中起晶核作用,能够增大异相成核概率,改变聚合物的结晶行为,促进球晶的形成,而晶粒的增多使球晶间的距离变小,球晶相互挤压使球晶尺寸变小[11],因此,纳米碳酸钙的添加使尼龙66球晶尺寸微细化并且形态均一.

  

图2 尼龙66/纳米CaCO3复合材料的偏光显微镜照片Fig.2 Polari metric Microscope Photos of Nylon 66/Nano-Ca CO3 Composites

2.3 尼龙66/纳米Ca CO 3复合材料的热稳定性

用TGA来研究复合材料的热稳定性.图3为尼龙66和PNC-04的热失重曲线.从图中可以看出,尼龙66和PNC-04只有一个失重阶段,在0℃~400℃之间,随着温度的升高尼龙66的质量有略微下降的趋势,并且下降是从100℃左右开始,说明尼龙66质量的下降是由于水分蒸发造成的.400℃以后,尼龙66的质量迅速下降,这是由于尼龙66的分解造成的;从470℃到600℃的过程中,尼龙66的质量变化为零,剩余为尼龙66碳化的残渣.对于PNC-04,在520℃后质量变化为零,原因是纳米碳酸钙的分解温度为897℃,最后剩余的为5%的纳米碳酸钙.

  

图3 尼龙66和PNC-04的TGA曲线Fig.3 TGA Curves of Nylon 66 and PNC-04

PNC-04的TGA曲线较尼龙66的TGA曲线向低温区偏移.尼龙66的分解温度约为400℃,而PNC-04的分解温度约为380℃,比尼龙66的分解温度要低,表明纳米碳酸钙粒子的添加使复合材料的热稳定性下降.一般情况下,尼龙66/纳米CaCO3复合材料比纯尼龙66的分解温度要高,因为当纳米碳酸钙粒子均匀分散到尼龙66基体中后,会与尼龙66发生强烈的界面反应;并且分散的纳米粒子能起到阻隔热量传导和气体扩散的作用,阻止热量传递就能保护聚合物连段,使之不易分解,进而减少可燃气体的产生,同时聚合物中的纳米粒子能够阻碍可燃气体扩散到物体表面[12-13],可燃气体的减少使燃烧热减低,进而防止过多的链段分解产生可燃气,因此,尼龙66/纳米Ca CO 3复合材料的热性能得到提高.

(2)午餐或下午茶吃多了的人。比如午餐吃了自助餐,下午又没有很大的运动量,到晚餐时间一点都不饿。对于这种情况,可以考虑不吃晚餐。还有下午加餐的朋友,点心、水果、酸奶、坚果、薯片、饼干……样样都不少,吃得饱饱的,也可以考虑省去晚餐。

本实验与前人所得结果不一样的原因可能是纳米碳酸钙粒子分散不均匀,发生了团聚,正如扫描电镜观察的一样.实验所用纳米碳酸钙粒子未经表面处理,处于非热力学稳定状态,为了降低表面能,原子相互作用团聚到一起.纳米粒子的团聚体会产生两方面的影响:一是纳米碳酸钙粒子有亲水疏油的表面热性,与尼龙66亲和力弱,大块团聚体的形成会使材料中存在缺陷,热稳定性下降.二是纳米粒子的团聚体提高了复合材料的导热性,使热量很容易传递到聚合物基体中,造成链段的快速分解,同时,链段的分解会使可燃气增多,进一步加快材料分解[14-17].因此,为了制备热稳定性好的尼龙66/纳米CaCO3复合材料,关键是提高纳米碳酸钙在尼龙66中的分散程度.

2.4 尼龙66/纳米Ca CO3复合材料的熔融结晶行为

用DSC研究复合材料的熔融结晶行为.图4为复合材料的DSC曲线.在熔体结晶过程中,成核剂的含量、恒温时间、升温速率和降温速率都会对尼龙66的结晶产生影响.

2.4.1 尼龙66/纳米CaCO3复合材料不同质量分数对结晶的影响

图4为尼龙66和不同质量分数的纳米碳酸钙的复合的DSC曲线,其中升温速率均为40℃/min.Bill曾指出,尼龙66有α和β两种晶型,一般情况下尼龙66为α晶型,α晶型较稳定.尼龙66能形成不同晶型,是由于尼龙66酰胺基团的存在使分子链间有强烈的氢键作用,分子链的不同排列使氢键的形成方式不同,因此尼龙66产生了多晶型现象.从图4中可以看出,所有的曲线都出现了双峰,他们分别对应尼龙66的α晶型和β晶型.但这些峰的形状和结晶温度不同,随着纳米碳酸钙含量的增加,曲线微微向低温方向偏移,吸热峰半高宽增加,说明纳米碳酸钙的添加使材料的结晶温度降低,结晶温度范围变宽.纳米复合材料的结晶温度随纳米碳酸钙含量的增加而降低,这是因为大量的纳米碳酸钙颗粒不能均匀地分散在基体内导致团聚,而这些团聚的微粒不能促使成核.

  

图4 尼龙66/纳米CaCO3复合材料不同质量分数的DSC曲线Fig.4 DSC Cur ves of Nylon 66/Nano-Ca CO3 Composites with Different Mass Fraction

纳米复合材料的吸热峰半高宽的增加可能有以下两个原因所致:

将粒状的尼龙纳米复合材料烘干,放入熔融指数仪中使之熔融,然后人工压片,制好的片状材料将用于扫描电镜观测纳米碳酸钙的分散情况.

近年来,随着惠州经济的快速增长,进出惠州港船舶数量逐年增多;加之惠州港地处大亚湾湾内,三面环山,防台条件优越,每年台风季节,大量过往船舶拥入惠州港水域防台避风。

第二个原因可能是纳米碳酸钙分散的不均匀,这将导致晶体生长的不均匀,不同含量的纳米碳酸钙使尼龙66分子链之间有不同的晶体生长速率.

1.2.2 实验样品的制备

图5为不同恒温时间PNC-04材料的DSC曲线,实线为在240℃恒温10 min,虚线为在240℃恒温30 min.对比两条曲线发现,恒温时间对尼龙66的结晶没有产生太大的影响.按理论分析,恒温时间越长,尼龙66的分子链就有更充足的时间排列,形成稳定的α晶型,但是从两条曲线中发现,随着恒温时间的增加,α熔融峰和β熔融峰的面积没有发生变化,即α晶型并没有增多的趋势.这可能是由于纳米碳酸钙分散不均造成的,由于两次都选用PNC-04,纳米碳酸钙的含量都为5%,但是在做恒温30 min的实验时,所选用的材料中可能含有的纳米碳酸钙比较多,因此有利于β晶型的产生,α晶型的增长趋势就不能显现出来.

在某日电动汽车充电负荷变化中,如果随机分量较小,b取值可以较大,如果随机分量占比较高,b可以适当减小。这样既考虑到电动汽车充电负荷变化的规律性,又考虑了负荷变化的随机部分。本文的算法流程如图4所示。

  

图5 PNC-04不同恒温时间的DSC曲线Fig.5 DSC Curve of PNC-04 at Different Ti me of Constant Temperature

2.4.3 冷却速率对复合材料结晶的影响

在相同的暴露方案下,动物状态、环境温度、体质量等均会对减压病发病率产生一定程度的影响。动物状态差(如进食量减少、运动减少)时减压病的发病率、死亡率均会升高。环境温度与减压病发病率之间关系复杂,有研究认为减压后低温环境会增加减压病的发病率[19],也有研究发现潜水和减压后高、中、低温 9 种温度组合与减压病发病率无显著关系[20],实验中应尽可能减少环境温度变化对实验的影响。体质量高的动物减压病发病率明显升高[12]。此外,个体对减压病易感性差异较大[21],可能与免疫系统及血管内皮系统相关[22]。

图6为不同冷却速率的PNC-04复合材料的DSC曲线,实线为10℃/min的降温速率,虚线则为30℃/min的降温速度.对比两条曲线发现,两条DSC曲线上都有两个熔融峰,并且随着冷却速率的增大,曲线向低温处移动,并且峰形变宽.

  

图6 PNC-04在不同冷却速率下的DSC曲线Fig.6 DSC Curves of PNC-04 at Different Cooling Rates

这些现象可以表明,尼龙66纳米复合材料基体中存在α晶型和β晶型,并且随着冷却速率的增大,结晶温度均降低,结晶温度范围增大.这可能有两个原因造成:一是过冷度,每一种物质都有一个理论结晶温度,但是由于冷却速率太快,物质实际结晶温度就会比理论结晶温度要低,他们之间的差值为过冷度.冷却速率增加会使过冷度升高,因此30℃/min的降温速度所得到的结晶温度要低.二是由于材料的分子链由杂乱无章变为规整有序,由无定形状态或半结晶状态变为完全结晶状态,需要一定的时间来完成,降温速率越快,同一温度区间停留的时间越少,温度滞后性越明显,因此出现了曲线向低温移动并且曲线形状变宽.

2.4.4 升温速率对复合材料结晶的影响

图7为不同升温速率的PNC-04复合材料的DSC曲线,其中实线代表升温速率为10℃/min,虚线代表升温速率为40℃/min.对比两条曲线可以发现,虽然都有两个熔融峰,但两个峰的面积均不一样,升温速率为10℃/min的材料基本上为α晶型(指定为材料1),而升温速率为40℃/min的材料中有α晶型和β晶型(指定为材料2),这说明,虽然两次实验选用材料相同,消除热历史后结晶速率相同,但最终得到的材料并不完全相同.理论上讲,升温速率越快,温度的滞后性越强,晶型熔融的温度越高,但是图7所反映出来的却正好相反,这正是由于两次实验所用材料中晶型不同造成的.材料1由于大部分为α晶型,比较稳定,直到温度高时才会出现熔融峰;而材料2由于有β晶型,在较低温度下β晶型就会熔融,β晶型熔融会使材料内热量增加,进一步加快α晶型的熔融,因此熔融峰的温度降低.

  

图7 PNC-04不同升温速率的DSC曲线Fig.7 DSC Curve of PNC-04 at Different Heating Rates

3 结语

本研究论文成功地制备了尼龙66/纳米Ca CO3复合材料,并对此纳米复合材料的多晶行为和热性能进行了表征.结果表明:

1)电镜图像显示,纳米碳酸钙粒子在尼龙66中分散不均匀,以团聚体的形式存在,原因是纳米碳酸钙未经过表面改性,表面能高且亲水疏油,原子间容易相互作用而与聚合物结合能力弱,所用容易形成聚集体.

2)通过TGA图像显示,纳米碳酸钙的加入使尼龙66复合材料的分解温度降低,使材料的热稳定性下降.

3)通过对PA66和PA66/纳米碳酸钙复合材料热行为的研究表明,热历史对样品多晶相变行为具有很强的影响.对于PA66/纳米碳酸钙复合材料,在280℃热处理3分钟后,在不同的冷却速度下有显著变化.PA66/纳米碳酸钙复合材料在熔融状态下热处理导致β晶型成为主晶型并且更高的冷却速度这一现象更明显,可能是由于纳米碳酸钙具有异相成核作用,能够使材料的晶粒尺寸减小,使材料的熔融温度降低;

正在这时,王登佩提着两瓶酒一食品袋猪头肉站在了我家的门口,见了正在哭闹的颖春不知是进来好还是退走好,我急忙把老王拉进了屋问,老王,你怎么跑到我家里来了?王登佩说,他到县城来买些肥料,顺便来看看我。我便把王登佩拉到沙发上坐下,又对颖春说,老婆,你去搞两个菜,我和老王今天好好喝一杯。颖春虽然已经停止了哭泣,却是站在那里不动,我过去推了一下她,她却转过脸来对我说,如果你不答应我去跑官我就不给你做饭做菜。我见老王在场,这么闹下去不是件事,只得应承好说,好好好,我去跑我去要行了吗?颖春的脸上立即笑了起来,说这才是我的好老公嘛!又对老王说,王大哥,你和东西先坐一下,菜马上就好。嘴上说着,人已进了厨房。

4)纯PA66和PA66/纳米碳酸钙复合材料在多态性的差异反映出PA66/纳米碳酸钙复合材料系统熔融行为的复杂性.成核剂纳米Ca CO3的添加会限制尼龙66分子链的运动,诱导β晶型的产生,使结晶速率和结晶度提高,结晶温度降低.

[参 考 文 献]

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康永
《广西民族大学学报(自然科学版)》2018年第04期文献

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