成核剂对共聚甲醛MC90结晶与力学性能的影响

杨玮婧,方 伟,胡 琳,李丽英

(神华宁夏煤业集团煤制油化工 研发中心,宁夏银川 750411)

成核剂对共聚甲醛MC90结晶与力学性能的影响

杨玮婧,方 伟,胡 琳,李丽英

(神华宁夏煤业集团煤制油化工 研发中心,宁夏银川 750411)

利用差示扫描量热仪、偏光显微镜和万能材料试验机等研究了不同成核剂用量对聚甲醛MC90的结晶行为和力学性能的影响。结果表明,成核剂的加入可有效减小POM的球晶尺寸,提高POM的结晶温度和缺口冲击强度。当成核剂添加量为0.8%时,最大结晶温度由139.2℃提高到143.3℃,球晶平均尺寸约60μm,为未加成核剂的POM 球晶尺寸的1/2,缺口冲击强度由5.5kJ·m-2增加到6.1kJ·m-2。

聚甲醛,成核剂,结晶,力学性能

聚甲醛(POM)是一种综合性能优良的结晶型工程塑料,具有结晶度高、强度和硬度高、刚性好、耐磨性和耐疲劳性良好以及自润滑性优异等特点,因而被用来代替有色金属和合金,广泛应用于汽车、机械、建筑、电子电器等领域[1]。但是,由于POM 的高结晶度致使其结晶速度较快,易于形成大球晶结构,从而导致制品存在缺口冲击强度低、韧性差和成型收缩率大的缺点,这就需要对POM结晶结构加以控制。加入成核剂可控制聚甲醛的球晶尺寸,能够有效提高聚甲醛的结晶性能和力学性能[2-3]。牌号为MC90的共聚甲醛产品由神华宁夏煤业集团甲醇分公司生产,采用香港富艺国际工程公司专用工艺,具有高强度、高耐磨性、良好的电性能和化学稳定性。本研究将改性纳米碳酸钙型成核剂添加到MC90中,考察了不同添加量对MC90结晶性能和力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

共聚甲醛(POM)：MC90粉料,神华宁夏煤业集团有限责任公司甲醇分公司；成核剂：改性纳米碳酸钙型,香港富艺国际工程有限公司。

1.2 样品制备

将POM与成核剂等按一定比例在ZAK26MC型双螺杆挤出机中挤出造粒制备POM/成核剂样品,并于80℃干燥4h。挤出机料各段温度为185℃、190℃、195℃、200℃、200℃、195℃、190℃、190℃,螺杆转速为300r/min～500r/min。

1.3 实验设备

双螺杆挤出机,ZAK26MC型,科倍隆(上海)有限公司；万能材料试验机,5966型,美国INSTRON公司；差示扫描量热仪,DSC200F3型,德国耐驰公司；冲击试验机,IT503型,美国Tinius Olsen公司；注塑机BT80V-Ⅱ,博创机械股份有限公司。 偏光显微镜,Micro Publisher-3.3RTV 型,日本Olympus公司。

1.4 测试分析

拉伸性能按照GB/T 1040.2-2006测试；弯曲性能按照GB/T 9341-2008测试；缺口冲击性能按照GB/T 1043.1-2008测试；熔融结晶温度按照GB/T 19446.3-2004测试。

偏光显微镜：将适量样品放在载玻片上,在200℃热台上熔融,加盖玻片施加一定压力使熔体完全展开在载玻片之间,以一定降温速率冷却至室温(25℃),观察样品球晶尺寸大小(放大倍数100)。

2 结果与讨论

2.1 成核剂用量对POM球晶大小的影响

图1是纯POM及加入不同用量成核剂POM的偏光显微镜照片。从中可以看出,在实验条件下随着成核剂质量分数的增加,POM的球晶尺寸逐渐减小,成核剂添加量为0.8%POM的球晶的平均尺寸约60μm,为未添加成核剂POM球晶尺寸的1/2。且球晶数量增加,球晶界面逐渐变得模糊,晶面间分子链穿插较多,这有利于提高力学性能。这是主要因为纳米碳酸钙是不溶于POM 的无机晶体或粉末,在POM 结晶过程中成为结晶中心,起到了晶核的作用,然后POM 分子链通过半热运动在成核剂表面重复折叠,最终形成球晶[4]。

(a)纯POM (b)0.2%成核剂

(c)0.4%成核剂 (d)0.8%成核剂

2.2 成核剂用量对POM的DSC曲线的影响

一般来说,加入有效成核剂后聚合物的最大结晶温度及结晶度提高,在DSC 图中,可表现为最大结晶温度升高,结晶放热峰面积增大,结晶半峰宽减小[5]。

加入不同用量成核剂后POM 的DSC 测试数据和降温曲线如表1和图2 所示。从表中可以看出,随着成核剂用量的增加,POM的结晶温度从139.2℃升高至143.3℃,且POM 主结晶半峰宽逐渐减小,这表明成核剂的加入使POM的结晶温度提高,结晶速率加快,在体系中起到了异相成核的作用[6]。此外,成核剂的加入对POM的熔融温度和二次结晶温度的影响不大。

表1 不同成核剂用量POM的DSC结果

图2 不同成核剂用量POM的DSC降温曲线

2.3 成核剂用量对POM力学性能的影响

表2是POM加入成核剂后的力学性能测试结果。从中可知,加入成核剂后,POM的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度和缺口冲击轻度均有不同程度的提升。尤其是缺口冲击强度,未加成核剂POM的缺口冲击强度为5.5kJ·m-2,而成核剂添加量0.8%POM的缺口冲击强度为6.1kJ·m-2,提高了约11%。这主要是由于成核剂的加入,即纳米碳酸钙粒子对聚甲醛能起到异相成核的作用,使球晶变小[7],球晶界面变得模糊,球晶之间的空隙变小。另一方面,纳米碳酸钙粒子的表面积大,与基体接触面积大,相容性比较好,不容易分离,当受到外来冲击时,使应力分布均匀,能够较好地传递所承受的外力,从而有效提升冲击强度。

表2 不同成核剂用量POM的力学性能

3 结论

(1)成核剂的加入,使得POM的球晶尺寸减小,球晶数量增加,球晶界面模糊,有利于提高力学性能。

(2)成核剂的加入,使得POM的结晶温度升高,POM主结晶半峰宽减小,其在体系中起到了异相成核的作用。

(3)成核剂的加入,使得POM的各项力学性能均有不同程度的提升,缺口冲击强度由5.5kJ·m-2增加到6.1kJ·m-2。

[1] 方伟,杨玮婧,孟永智,等.复合光稳定剂对共聚甲醛MC90光老化性能的影响[J].现代塑料加工应用,2015,27(5)：41-43.

[2] 孙建丽,胡友亮,叶林,等.聚甲醛结晶性能的改性[J].塑料工业,2006,34(7)：19-21.

[3] 冯清正,姜立忠,孙长江,等.新型成核剂对聚甲醛树脂结构与性能的影响[J].工程塑料应用,2014,42(5)：105-108.

[4] 王亮亮,陈科宇,商亚东,等.成核剂对聚甲醛结构与性能的影响[J].工程塑料应用,2013,41(6)：84-87.

[5] 徐卫兵,朱士旺,蔡琼英.均聚甲醛对共聚甲醛成核作用的研究[J].中国塑料,2000,14(3)：39-42.

[6] 王亮亮,陈科宇,刘慧宏,等.聚甲醛结晶成核剂研究进展木[J].塑料工业,2012,40(9)：5-9.

[7] 张凌,顾有伟,胡艳芳.聚甲醛成核剂对其结构和性能的影响研究[J].塑料,2004,33(2)：43-45.

2017年《塑料助剂》杂志征订启事

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Effects of Nucleator on Crystallizing and Mechanical Property of POM

YANG Wei-jing,FANG Wei,HU Lin,LI Li-ying

(Research and Development Center Coal Chemical Industry Company of Shenhua Ningxia Coal Group,Yinchuan 750411,Ningxia,China)

Effects of the different dosage of nucleator on crystallizing and mechanical property of POM were studied by means of differential scanning calorimetry,polarizing microscopy and universal material testing machine. The results indicated that nucleators effectively decreased spherocrystal size of POM. And the nucleators could improve crystallization temperature and notched impact strength. When the addition amount was 0.8%,it made crystallization peak temperature of POM increased from 139.2℃ to 143.3℃,spherocrystal size decreased to 1/2 of POM without nucleator,and notched impact strength was improved from 5.5kJ·m-2to 6.1kJ·m-2.

polyoxymethylene,nucleator,crystallization,mechanical property

TQ 326.51