r-PTFE對(duì)PBT非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的影響

林婷惠，曹長(zhǎng)林，陳慶華,2，錢(qián)慶榮,2，

(1 福建師范大學(xué)，福州350007；2 福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350007)

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r-PTFE對(duì)PBT非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的影響

林婷惠1，曹長(zhǎng)林1，陳慶華1,2，錢(qián)慶榮1,2，

黃寶銓1,2，夏新曙1，林新土1，肖荔人1

(1 福建師范大學(xué)，福州350007；2 福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350007)

以回收聚四氟乙烯(r-PTFE)為成核劑，對(duì)聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(BPT)進(jìn)行成核結(jié)晶改性，采用差示掃描量熱儀(DSC)研究了PBT/r-PTFE復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶行為，考察了不同降溫速率對(duì)PBT/r-PTFE共混物結(jié)晶行為的影響，并對(duì)其DSC掃描數(shù)據(jù)采用Jeziorny法和Liu-Mo法進(jìn)行處理，采用Kissiinger法計(jì)算體系結(jié)晶活化能。結(jié)果表明：r-PTFE對(duì)PBT具有異相成核作用，可明顯提高PBT的結(jié)晶度及其結(jié)晶速率，且加入r-PTFE并不會(huì)改變PBT的成核和增長(zhǎng)方式。由Kissinger法計(jì)算得出的結(jié)晶活化能結(jié)果表明，加入r-PTFE樹(shù)脂能夠明顯降低PBT的結(jié)晶活化能，進(jìn)一步驗(yàn)證r-PTFE對(duì)PBT具有成核促進(jìn)作用。

聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯；回收聚四氟乙烯；非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)；活化能

聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)是一種重要的半結(jié)晶型熱塑性工程塑料，也是五大通用工程塑料中開(kāi)發(fā)最晚，但發(fā)展速度最快的一個(gè)品種。PBT具有耐化學(xué)腐蝕、易成型、低吸濕、良好的加工性能和力學(xué)性能，是一種綜合性能優(yōu)良的聚酯工程塑料。但PBT分子鏈中含有的苯環(huán)和酯基形成一個(gè)大π鍵的共軛結(jié)構(gòu)，使分子的構(gòu)象變化存在一定的能阻，導(dǎo)致分子鏈活動(dòng)緩慢，進(jìn)而影響PBT分子鏈段重排成規(guī)整有序的結(jié)構(gòu)，因此在PBT的結(jié)晶過(guò)程會(huì)受到一定的阻礙，使得其結(jié)晶速率緩慢，結(jié)晶度低，限制其作為工程塑料的應(yīng)用。為改善PBT的結(jié)晶性能，一般通過(guò)添加無(wú)機(jī)成核劑[1-3]或者結(jié)晶促進(jìn)劑來(lái)提高它的結(jié)晶能力。

PTFE樹(shù)脂具有本體剪切強(qiáng)度低，表面張力小，極低的摩擦因數(shù)及高的韌性[4]。 PTFE細(xì)粉已被應(yīng)用于研究iPP，HDPE，POM，PET等材料的結(jié)晶性能[5-7]，而采用r-PTFE對(duì)PBT非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)采用回收聚四氟乙烯作為成核劑，采用熔融共混的方法制備PBT/r-PTFE復(fù)合材料。研究不同降溫速率下復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶行為，并用Jeziorny法[8]和Liu-Mo法[9]等方法對(duì)PBT/r-PTFE復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行了研究。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1主要原料

PBT樹(shù)脂：KH2100，江蘇營(yíng)口康輝石化有限公司；回收聚四氟乙烯PTFE樹(shù)脂(r-PTFE)：廈門(mén)柏潤(rùn)氟材料科技有限公司。

1.2樣品制備

將PBT樹(shù)脂于105℃下干燥12h后，與r-PTFE(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%)在RM-200B轉(zhuǎn)矩流變儀的密煉室中塑化密煉。共混溫度為240℃，轉(zhuǎn)速為40r/min，密煉時(shí)間為7min。

1.3性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

采用Q20型差示掃描量熱儀，稱(chēng)取6～8mg的樣品，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下快速升溫至250℃，保溫10min以消除熱歷史，再分別以5，10，20，40℃/min的降溫速率至80℃，并記錄DSC曲線(xiàn)。

2　結(jié)果與討論

2.1r-PTFE對(duì)PBT非等溫結(jié)晶行為的影響

圖 1 是不同降溫速率的純PBT和PBT/ r-PTFE復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶DSC曲線(xiàn)。從圖 1中可以看出:隨著降溫速率的增大，PBT和PBT/ r-PTFE復(fù)合材料的結(jié)晶溫度和結(jié)晶峰的位置均向低溫方向移動(dòng)，且結(jié)晶峰變寬。這主要是因?yàn)樵诘蜏叵拢琍BT分子鏈運(yùn)動(dòng)受限，活動(dòng)能力差，PBT分子鏈折疊進(jìn)入晶區(qū)的速率較慢，晶體形成不夠完善，結(jié)晶峰寬，而隨著降溫速率的增加，PBT分子鏈段運(yùn)動(dòng)又跟不上降溫速率的變化，結(jié)晶速率跟不上降溫速率，所以體系結(jié)晶溫度降低。

另外，對(duì)非等溫DSC掃描結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得出不同降溫速率下的初始結(jié)晶溫度(T0)、結(jié)晶峰溫度(Tp)，半峰寬(ΔT1)和半結(jié)晶時(shí)間(t1/2)。圖1曲線(xiàn)數(shù)據(jù)整理見(jiàn)表1，從表1中可以看出，在相同降溫速率下，r-PTFE的加入使得體系T0，Tp明顯升高，而半峰寬(ΔT1)和半結(jié)晶時(shí)間(t1/2)降低，表明r-PTFE對(duì)PBT的結(jié)晶過(guò)程具有成核促進(jìn)的作用，提高了體系的結(jié)晶速率。

圖1　復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶曲線(xiàn)　(a)PBT;(b)PBT/r-PTFEFig.1　Non-isothermal crystallization curves of PBT (a), PBT/ r-PTFE composites (b)

SampleΦ/(℃·min-1)T0/℃Tp/℃ΔT1/℃t1/2/minnZcPBT5199.05196.553.941.313.110.7610196.18192.135.060.783.011.0220192.88188.316.080.473.021.0940188.15182.168.800.323.111.08PBT/r-PTFE5204.76202.492.971.143.110.7910202.70200.103.700.753.051.0120200.09196.725.010.462.921.0840196.27191.467.930.282.801.08

圖2是純PBT和PBT/r-PTFE相對(duì)結(jié)晶度與結(jié)晶時(shí)間曲線(xiàn)。從圖2中可以看出，以5，10，20，40℃/min的不同降溫速率下的純PBT和PBT/r-PTFE相對(duì)結(jié)晶度與結(jié)晶時(shí)間曲線(xiàn)均呈S形，且隨著降溫速率的增加，結(jié)晶時(shí)間越來(lái)越短，這是由于高聚物的結(jié)晶速率是隨著降溫速率的增加而增加的。t1/2表示體系結(jié)晶過(guò)程中相對(duì)結(jié)晶度達(dá)到50%所需要的時(shí)間，是描述結(jié)晶快慢過(guò)程的一個(gè)重要參數(shù)，從表1數(shù)據(jù)中可以看出，同一降溫速率下，PBT/r-PTFE的半結(jié)晶時(shí)間均比純PBT的半結(jié)晶短，這也說(shuō)明了加入r-PTFE后，PBT的結(jié)晶時(shí)間縮短，結(jié)晶速率提高了。

圖2　復(fù)合材料的相對(duì)結(jié)晶度對(duì)結(jié)晶時(shí)間曲線(xiàn)　(a)PBT;(b)PBT/r-PTFEFig.2　The relative crystallinity as a function of crystallization time curve　(a)PBT;(b)PBT/r-PTFE composites

2.2PBT和PBT/r-PTFE復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)分析

假設(shè)結(jié)晶時(shí)溫度不變，可采用經(jīng)典的Avrami方程[10]描述非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)：

1-Xt=exp(-Ztn)

(1)

將公式兩邊取對(duì)數(shù)可得：

ln[-ln(1-Xt)]=lnZ+nlnt

(2)

式中:Xt為在結(jié)晶時(shí)間為t時(shí)的結(jié)晶度；n為Avrami指數(shù);Z為結(jié)晶速率常數(shù)；t為結(jié)晶時(shí)間。

以ln[-ln(1-Xt)]對(duì)lnt作圖，如圖3所示，由直線(xiàn)的斜率和截距可求得n和lnZ。等溫過(guò)程Avrami指數(shù)n與成核方式和晶體生長(zhǎng)維數(shù)相關(guān)，取值可以是1,2,3,4；但由于結(jié)晶過(guò)程的復(fù)雜性，n不恒為整數(shù)。由表1中數(shù)據(jù)得知，純PBT的n值在3.02～3.11之間，PBT/r-PTFE的n值在2.80～3.11之間，體系的晶體生長(zhǎng)方式均表現(xiàn)為三維的生長(zhǎng)方式，且兩體系的Avrami指數(shù)差別不大，說(shuō)明r-PTFE的加入并不改變PBT晶體的成核方式。

另外，為了消除冷卻或加熱速率對(duì)結(jié)晶行為的影響，Jeziorny對(duì)Avrami方程中的Z值進(jìn)行了必要的修正,修正后式子為lnZc=(lnZ)/β，Zc值列于表1中。

圖3　復(fù)合材料的ln[-ln(1-Xt)]-lnt曲線(xiàn)　(a)PBT;(b)PBT/r-PTFEFig.3　Plots of ln[-ln(1-Xt)] versus lnt　(a)PBT;(b)PBT/r-PTFE composites

目前研究非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的理論已趨于成熟，其中，Liu-Mo法結(jié)合Ozawa方程和Avrami方程的研究方法，可以更為有效地用來(lái)描述聚合物的非等溫結(jié)晶過(guò)程，方程如下：

lnZ+nlnt=lnK(T)-mlnΦ

(3)

lnΦ=lnF(T)-αlnt

(4)

式中：m為Ozawa指數(shù)；n為Avrami指數(shù)；α=n/m;F(T)=[K(T)/Z]1/m表示的是在單位時(shí)間內(nèi)達(dá)到某一相對(duì)結(jié)晶度時(shí)所用的降溫速率。以相對(duì)結(jié)晶度為20%，40%，60%，80%時(shí)，利用公式左右兩邊的lnΦ對(duì) lnt作圖，如圖4所示。由直線(xiàn)的斜率和截距可以分別求出α和F(T)，所得參數(shù)列于表2，由圖4可以看出，曲線(xiàn)具有很好的線(xiàn)性關(guān)系，證明了Liu-Mo法能夠很好地描述PBT和PBT/r-PTFE復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶過(guò)程。從表2中可以看出，純PBT和PBT/r-PTFE體系的F(T)值均隨著相對(duì)結(jié)晶度的增加而逐漸增大，說(shuō)明在單位時(shí)間內(nèi)達(dá)到一定結(jié)晶度的降溫速率是隨著相對(duì)結(jié)晶度增加而增加。同時(shí)可以看出，相對(duì)結(jié)晶度相同時(shí)，PBT/r-PTFE體系的F(T)值比純PBT低，這表明PBT/r-PTFE體系的結(jié)晶速率大于純PBT的結(jié)晶速率。

圖4　復(fù)合材料的lnΦ-lnt曲線(xiàn)　(a) PBT;(b)PBT/r-PTFEFig.4　Plots lnΦ of versus lnt for PBT (a),PBT/ r-PTFE composites (b)

利用Kissinger[11]公式計(jì)算體系的結(jié)晶活化能，計(jì)算公式如(5)所示：

(5)

式中:ΔE為結(jié)晶活化能(kJ/mol)；R為氣體常數(shù)。

圖5　Kissinger方法獲得的PBT和PBT/r-PTFE復(fù)合材料結(jié)晶活化能曲線(xiàn)Fig.5　Activation energy for PBT and PBT/ r-PTFE composites using the Kissinger method

3　結(jié)論

(1)r-PTFE對(duì)PBT具有較好的異相成核作用，明

表2　PBT和PBT/r-PTFE體系的

顯提高了PBT的結(jié)晶速率。

(2)Liu-Mo法能夠很好地描述PBT和PBT/r-PTFE復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶過(guò)程。

(3)r-PTFE能夠明顯降低PBT的非等溫結(jié)晶活化能，但沒(méi)有影響PBT基體成核機(jī)理或生長(zhǎng)方式。

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Effect of Recycled PTFE on Non-isothermal Crystallization Kinetics of PBT

LIN Ting-hui1,CAO Chang-lin1,CHEN Qing-hua1,2,QIAN Qing-rong1,2,HUANG Bao-quan1,2,XIA Xin-shu1,LIN Xin-tu1,XIAO Li-ren1

(1 Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China;2 Fujian Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse,Fuzhou 350007,China)

The recycled polytetrafluoroethylene(r-TPFE) was used as nucleating agent to modify Poly(butylene terephthalate) (PBT), and the non-isothermal crystallization behavior of Poly(ethylene terephthalate) and PBT/r-PTFE composite at different cooling rates was investigated by differential scanning calorimetry (DSC), respectively. The Jeziorny and Liu-Mo methods were used to analyze the non-isothermal crystallization process of pure PBT and its composite, and the activation energies of the PBT and PBT/r-PTFE composite were calculated by Kissiinger method. The results show that r-PTFE can act as efficient nucleating agent for the crystallization of PBT and obviously increase the crystallinity and crystallization rate of PBT. Compared with the Jeziorny method, the Liu-Mo method appropriately describes the non-isothermal crystallization of PBT and PBT/r-PTFE composite. Further analysis of results shows that the incorporation of r-PTFE does not obviously change the nucleation mechanism and crystal growth of PBT, but decreases the crystallization activation energy of PBT, which facilitates the crystallization of PBT.

poly(butylene terephthalate);recycled polytetrafluoroethylene;non-isothermal crystallization kinetics；activation energy

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.03.015

TQ323

A

1001-4381(2016)03-0092-05

福建省科技廳項(xiàng)目(2013HZ0005-1)

2014-07-10；

2015-06-30

肖荔人(1966-)，女，教授級(jí)高工，研究方向?yàn)楦叻肿硬牧霞庸じ男裕?lián)系地址：福建省福州市倉(cāng)山區(qū)福建師范大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(350007)，E-mail：xlr1966@126.com