畢業(yè)論文：添加α成核劑二(苯亞甲基)山梨醇的PP制品模具溫度和冷卻時間的工藝研究

畢業(yè)設(shè)計（論文）

題 目
添加α成核劑二(苯亞甲基)山梨醇的PP制品模具溫度和冷卻時間的工藝研究

系 別： 材料工程系
專 業(yè)： 材料科學與工程

摘要
本課題主要研究了α成核劑二(苯亞甲基)山梨醇改性聚丙烯（PP）的模具溫度和冷卻時間對PP制品性能的影響。由于加工過程中模具溫度和冷卻時間這兩個工藝參數(shù)對PP制品的力學性能影響比較大，我們改變成型過程中的模具溫度（180℃、190℃、200℃）和冷卻時間（1h、2h、3h），制得一系列經(jīng)過不同加工工藝處理的PP制品，然后通過萬能試驗機對制得的PP制品進行拉伸強度、彎曲強度、沖擊性能等力學性能的測試，利用DSC測試PP的結(jié)晶度以及采用偏光顯微鏡觀察PP球晶的尺寸大小，最后結(jié)合高分子結(jié)晶學理論對材料力學性能的影響對實驗結(jié)果進行解釋說明，從而得出PP成型過程中最優(yōu)的模具溫度和冷卻時間。力學性能測試結(jié)果表明模具溫度為180℃和冷卻時間1h的PP制品綜合性能比較好！
關(guān)鍵詞：聚丙烯；模壓溫度；冷卻時間；力學性能；球晶形態(tài)

ABSTRACT
This paper mainly studied the effects of the mold temperature and cooling time on the properties of α nucleating agent two-benzylidene sorbitol modified polypropylene (PP) products. Since the two parameters of mold temperature and cooling time have the greater effects on the mechanical properties of PP products in the cource of processing, we changed the forming mold temperature (180℃, 190℃, 200℃) and the cooling time (1h, 2h, 3h ), prepared several PP products with different mold temperatures and cooling times, and
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高PP制品綜合性的成核劑將是這方面的重要研究課題[2]。
目前，透明PP產(chǎn)品越來越受到人們的關(guān)注。山梨醇類成核劑可以顯著改善PP制品的透明性，同時可提高PP制品的力學性能，且價格低于有機磷類成核劑，在市場上呈現(xiàn)產(chǎn)銷兩旺的勢頭，產(chǎn)品開發(fā)和應用技術(shù)研究亦很活躍[3]。國內(nèi)研究開發(fā)的山梨醇類成核劑產(chǎn)品價格遠低于國外產(chǎn)品，但在品種開發(fā)及質(zhì)量穩(wěn)定性方面還有待提高和完善。例如國內(nèi)用于制造微波爐器皿、醫(yī)用注射品等制品的透明PP專用料還主要依賴進口。因此，應加大山梨醇類成核劑的生產(chǎn)開發(fā)力度，在提高質(zhì)量、增加品種的同時，力爭盡快形成較大的生產(chǎn)能力，以滿足國內(nèi)快速增長的市場需求[4]。
對于模具溫度和冷卻時間工藝參數(shù)對PP制品力學性能的影響，可以等效于溫度與冷卻速率對PP的結(jié)晶度、晶體結(jié)構(gòu)等的影響，從而導致PP制品力學性能的變化。例如同等溫度下以不同的冷卻時間冷卻，冷卻速率大的PP制品晶體��；從而使PP的拉伸強度增加、沖擊韌性提高�？傊�，不同的微觀結(jié)構(gòu)反應在宏觀上表現(xiàn)為力學性能不同[5]。
課題《添加α成核劑二(苯亞甲基)山梨醇的PP制品模具溫度和冷卻時間的工藝研究》來源于湖北汽車工業(yè)學院材料工程系的PP制品工藝研究，本課題擬對制備添加α成核劑二(苯亞甲基)山梨醇的PP制品過程中的模具溫度和冷卻時間這兩個工藝參數(shù)進行研究，以期找到最佳的模具溫度和冷卻時間，使PP制品的性能達到最好。
聚丙烯(PP)為線性結(jié)構(gòu)，其分子式為：



它無毒、無味、密度小、強度、剛度、硬度、耐熱性均優(yōu)于低壓聚乙烯，可在100度左右使用。具有良好的電性能和高頻絕緣性不受濕度影響，但低溫時變脆、不耐磨、易老化。PP作為用量較大的通用塑料之一，因其廉價的價格及良好的加工性能而受到青睞。PP適于制作一般機械零件，耐腐蝕零件和絕緣零件。常見的酸、堿有機溶劑對它幾乎不起作用，可用于食具[6]。聚丙烯的一般性能如表1.1所示。
表1.1 聚丙烯的一般性能
性能 數(shù)據(jù) 性能 數(shù)據(jù)
相對密度 0.89～0.91 熱變形溫度(1.82MPa)/℃ 102
吸水率/% 0.01 脆化溫度/℃ -8～8
成型收縮率/% 1～2.5 線膨脹系數(shù)/*10﹣5K-1 6～10
拉伸強度/MPa 29 熱導率/[W/(m•K)] 0.24
斷裂伸長率/% 200～700 體積電阻率/Ω•cm 1019
彎曲強度/MPa 50～58.8 介電常數(shù)(106Hz) 2.15
壓縮強度/MPa 45 介電損耗角正切(106Hz) 0.0008
缺口沖擊強度/(kJ/m2) 0.5～10 介電強度/(kV/mm) 24.6
洛氏硬度(R) 80～110 耐電弧/s 185
摩擦系數(shù) 0.51 氧指數(shù)/% 18
磨痕寬度/mm 10.4 熔點/℃ 160～170
作為應用廣泛的熱塑性塑料，PP綜合力學性能較好。但是由于PP的結(jié)晶速度較慢，低溫沖擊性能較差，成型收縮率較大等方面的缺點，限制了其使用范圍的擴展。這主要是由于PP是典型的結(jié)晶性高聚物，球晶結(jié)構(gòu)為大球晶，球晶之間有明顯的界面，在界面處易產(chǎn)生應力集中，因此 PP 球晶尺寸的微細化，則可以在很大程度上克服這些缺點。因為異相成核劑能夠提供更多的晶核，在球晶生長速度不變的情況下加快結(jié)晶速度，降低球晶尺寸，提高制品的力學性能[7]。
成核劑可使結(jié)晶性聚丙烯的結(jié)晶構(gòu)造進一步微細化即提高結(jié)晶度、降低球晶的直徑和控制一定的形態(tài)。因此可提高聚丙烯的剛性、改進透明性和光澤性、降低成型的加工溫度、縮短成型周期，使PP性能明顯提高。
研究成果發(fā)現(xiàn)成核劑的添加導致聚丙烯結(jié)晶形態(tài)變化有下列幾個方面：
(1)加快結(jié)晶化速度，提高樹脂的結(jié)晶度；
(2)形態(tài)比較均一的結(jié)晶構(gòu)造；
(3)形成小球晶；
(4)球晶的尺寸微細化；
但是在材料的加工與成型過程中，加工工藝（例如本課題研究的PP制品成型過程中的模具溫度和冷卻時間工藝參數(shù)）對高分子聚合物的使用性能有很重要的影響，本課題就是研究這些工藝參數(shù)對PP制品的影響規(guī)律，以確定最佳工藝參數(shù)。
1.2本課題及相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展
1.2.1聚丙烯的的成型工藝特性
聚丙烯由于合成方法簡單，且原料來源豐富，價格低廉，具有良好的綜合性能，從而成為產(chǎn)量增長最快的品種之一，其產(chǎn)量在五大通用塑料中僅次于聚乙烯占第二位，所以被廣泛應用于日常用品、包裝材料、辦公用品、電器及汽車零部件等方面。但是由于聚丙烯是半結(jié)晶性聚合物，內(nèi)部存在著很大的球晶，造成聚丙烯的抗沖擊強度很低、制品的后收縮現(xiàn)象嚴重，在使用中并不具有足夠的剛性、尺寸穩(wěn)定性或透明性等，這嚴重地影響了聚丙烯樹脂的使用性能。因此，眾多國內(nèi)外的研究者從聚合技術(shù)、成型技術(shù)、復合材料技術(shù)等方面對聚丙烯進行改性，以提高其使用性能。其中，通過加入成核劑，改善成型過程的結(jié)晶速度，細化晶粒，以提高制品的抗沖擊性能、透明性及光澤度，是實現(xiàn)聚丙烯高性能化最常用的方法 [8]。
良好的成核劑應具備以下特性：可被聚合物潤濕或吸附；與PP相容性好；熔點應高于相應的聚合物；應能以細微的方式 (1～10μm)均勻分散于聚合物熔體中；在PP的成核溫度下成為微晶核，可成為PP的外加晶核，其晶面吸附PP鏈段的能力極強。PP成核劑從對結(jié)晶形態(tài)的影響上可分為α晶型和β晶型兩種成核劑，從化學結(jié)構(gòu)上可分為無機類和有機類[9]。
有機成核劑包括有機磷酸鹽、羧酸金屬鹽、山梨醇衍生物、松香類、高分子類等。
表1.2 常用成核劑的種類
種類數(shù) 無機成核劑 有機成核劑 高分子聚合物
1 CaCO3 二(苯亞甲基)山梨醇 聚3-甲基丁烯-1
2 SiO2 二芐叉山梨醇（DBS） 聚乙烯基環(huán)烷
3 TiO2 二（對-甲基芐叉）山梨醇（MDBS） 聚乙烯基環(huán)硅烷
4 滑石粉 β-萘甲酸鈉 乙丙橡膠（EPDM）
5 Y2O3 苯乙酸鋁 聚乙烯（PE）
20世紀70年代中期，Hamada K等發(fā)現(xiàn)，在PP中添加山梨醇縮苯甲醛 (DBS)可提高PP的透明性和光澤度，從而使透明型成核劑獲得了迅速的發(fā)展，并于20世紀80年代初實現(xiàn)了透明PP的商業(yè)化。目前山梨醇衍生物類成核劑已發(fā)展到第三代[10]。
第一代以美國Milliken化學品公司生產(chǎn)的Millad3905和新日本化學品公司的Gel ALLD為代表，化學結(jié)構(gòu)為山梨醇縮二苯甲醛；
第二代以Millad3940、EC化學品公司的EC24和三井東亞公司的NC24為代表，使用取代的苯甲醛 (如對氯苯甲醛)為原料；
第三代以Millad公司的Millad3988為代表，使用3，4-二甲基苯甲醛為原料，一般用量僅為PP的0.2%～0.3%。
Smith TL等研究了山梨醇類成核劑在PP中的成核機理，認為PP的結(jié)晶過程是沿著成核劑表面外延生長的，山梨醇類成核劑能夠加快PP熔體無規(guī)線團向螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變并對螺旋結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定作用，成核劑的成核能力取決于成核劑分子與PP螺旋結(jié)構(gòu)之間的范德華力。目前國內(nèi)的成核劑開發(fā)生產(chǎn)主要集中在山梨醇類。主要產(chǎn)品有蘭州化學工業(yè)公司開發(fā)的山梨醇類成核劑DBS和山西省化工研究所近年來成功開發(fā)出二芐叉山梨醇類的TM系列成核劑[11-20]。
有機成核劑對聚丙烯影響較大的是結(jié)晶溫度、彎曲彈性模量、沖擊強度、透明性等。成核劑能同時提高聚丙烯的剛性和沖擊強度原因是小的球晶界面結(jié)合強度高，裂紋沿小尺寸界面擴展消耗的能大。當材料受到外力作用時，有更多的粒子承受外力沖擊，使應力得到均勻分散。沖擊強度提高，使聚丙烯的應用范圍更加廣泛[21]。
但添加α成核劑二(苯亞甲基)山梨醇的PP制品在生產(chǎn)過程中模具溫度和冷卻時間是主要的工藝參數(shù)，其對制品的晶體形態(tài)和結(jié)晶度有很大的影響，最終影響制品的使用性能。本課題擬對制備添加α成核劑二(苯亞甲基)山梨醇的PP制品過程中的模具溫度和冷卻時間這兩個工藝參數(shù)進行研究，以期找到最佳的模具溫度和冷卻時間，使PP制品的性能達到最好。
高分子材料的加工成型不是單純的物理過程，而是決定高分子材料最終結(jié)構(gòu)和性能的重要環(huán)節(jié)。一般塑料制品常用的成形方法有擠出、注射、壓延、吹塑、模壓或傳遞模塑等�！　�
在成型過程中，聚合物有可能受溫度、壓強、應力及作用時間等變化的影響，導致高分子降解、交聯(lián)以及其他化學反應，使聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和化學結(jié) ……（未完，全文共24782字，當前僅顯示4457字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：添加α成核劑二(苯亞甲基)山梨醇的PP制品模具溫度和冷卻時間的工藝研究》）