毕业论文：添加α成核剂二(苯亚甲基)山梨醇的PP制品模具温度和冷却时间的工艺研究

毕业设计（论文）

题 目
添加α成核剂二(苯亚甲基)山梨醇的PP制品模具温度和冷却时间的工艺研究

系 别： 材料工程系
专 业： 材料科学与工程

摘要
本课题主要研究了α成核剂二(苯亚甲基)山梨醇改性聚丙烯（PP）的模具温度和冷却时间对PP制品性能的影响。由于加工过程中模具温度和冷却时间这两个工艺参数对PP制品的力学性能影响比较大，我们改变成型过程中的模具温度（180℃、190℃、200℃）和冷却时间（1h、2h、3h），制得一系列经过不同加工工艺处理的PP制品，然后通过万能试验机对制得的PP制品进行拉伸强度、弯曲强度、冲击性能等力学性能的测试，利用DSC测试PP的结晶度以及采用偏光显微镜观察PP球晶的尺寸大小，最后结合高分子结晶学理论对材料力学性能的影响对实验结果进行解释说明，从而得出PP成型过程中最优的模具温度和冷却时间。力学性能测试结果表明模具温度为180℃和冷却时间1h的PP制品综合性能比较好！
关键词：聚丙烯；模压温度；冷却时间；力学性能；球晶形态

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制品综合性的成核剂将是这方面的重要研究课题[2]。
目前，透明PP产品越来越受到人们的关注。山梨醇类成核剂可以显著改善PP制品的透明性，同时可提高PP制品的力学性能，且价格低于有机磷类成核剂，在市场上呈现产销两旺的势头，产品开发和应用技术研究亦很活跃[3]。国内研究开发的山梨醇类成核剂产品价格远低于国外产品，但在品种开发及质量稳定性方面还有待提高和完善。例如国内用于制造微波炉器皿、医用注射品等制品的透明PP专用料还主要依赖进口。因此，应加大山梨醇类成核剂的生产开发力度，在提高质量、增加品种的同时，力争尽快形成较大的生产能力，以满足国内快速增长的市场需求[4]。
对于模具温度和冷却时间工艺参数对PP制品力学性能的影响，可以等效于温度与冷却速率对PP的结晶度、晶体结构等的影响，从而导致PP制品力学性能的变化。例如同等温度下以不同的冷却时间冷却，冷却速率大的PP制品晶体小；从而使PP的拉伸强度增加、冲击韧性提高。总之，不同的微观结构反应在宏观上表现为力学性能不同[5]。
课题《添加α成核剂二(苯亚甲基)山梨醇的PP制品模具温度和冷却时间的工艺研究》来源于湖北汽车工业学院材料工程系的PP制品工艺研究，本课题拟对制备添加α成核剂二(苯亚甲基)山梨醇的PP制品过程中的模具温度和冷却时间这两个工艺参数进行研究，以期找到最佳的模具温度和冷却时间，使PP制品的性能达到最好。
聚丙烯(PP)为线性结构，其分子式为：



它无毒、无味、密度小、强度、刚度、硬度、耐热性均优于低压聚乙烯，可在100度左右使用。具有良好的电性能和高频绝缘性不受湿度影响，但低温时变脆、不耐磨、易老化。PP作为用量较大的通用塑料之一，因其廉价的价格及良好的加工性能而受到青睐。PP适于制作一般机械零件，耐腐蚀零件和绝缘零件。常见的酸、碱有机溶剂对它几乎不起作用，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 数据 性能 数据
相对密度 0.89～0.91 热变形温度(1.82MPa)/℃ 102
吸水率/% 0.01 脆化温度/℃ -8～8
成型收缩率/% 1～2.5 线膨胀系数/*10﹣5K-1 6～10
拉伸强度/MPa 29 热导率/[W/(m•K)] 0.24
断裂伸长率/% 200～700 体积电阻率/Ω•cm 1019
弯曲强度/MPa 50～58.8 介电常数(106Hz) 2.15
压缩强度/MPa 45 介电损耗角正切(106Hz) 0.0008
缺口冲击强度/(kJ/m2) 0.5～10 介电强度/(kV/mm) 24.6
洛氏硬度(R) 80～110 耐电弧/s 185
摩擦系数 0.51 氧指数/% 18
磨痕宽度/mm 10.4 熔点/℃ 160～170
作为应用广泛的热塑性塑料，PP综合力学性能较好。但是由于PP的结晶速度较慢，低温冲击性能较差，成型收缩率较大等方面的缺点，限制了其使用范围的扩展。这主要是由于PP是典型的结晶性高聚物，球晶结构为大球晶，球晶之间有明显的界面，在界面处易产生应力集中，因此 PP 球晶尺寸的微细化，则可以在很大程度上克服这些缺点。因为异相成核剂能够提供更多的晶核，在球晶生长速度不变的情况下加快结晶速度，降低球晶尺寸，提高制品的力学性能[7]。
成核剂可使结晶性聚丙烯的结晶构造进一步微细化即提高结晶度、降低球晶的直径和控制一定的形态。因此可提高聚丙烯的刚性、改进透明性和光泽性、降低成型的加工温度、缩短成型周期，使PP性能明显提高。
研究成果发现成核剂的添加导致聚丙烯结晶形态变化有下列几个方面：
(1)加快结晶化速度，提高树脂的结晶度；
(2)形态比较均一的结晶构造；
(3)形成小球晶；
(4)球晶的尺寸微细化；
但是在材料的加工与成型过程中，加工工艺（例如本课题研究的PP制品成型过程中的模具温度和冷却时间工艺参数）对高分子聚合物的使用性能有很重要的影响，本课题就是研究这些工艺参数对PP制品的影响规律，以确定最佳工艺参数。
1.2本课题及相关领域的国内外现状及发展
1.2.1聚丙烯的的成型工艺特性
聚丙烯由于合成方法简单，且原料来源丰富，价格低廉，具有良好的综合性能，从而成为产量增长最快的品种之一，其产量在五大通用塑料中仅次于聚乙烯占第二位，所以被广泛应用于日常用品、包装材料、办公用品、电器及汽车零部件等方面。但是由于聚丙烯是半结晶性聚合物，内部存在着很大的球晶，造成聚丙烯的抗冲击强度很低、制品的后收缩现象严重，在使用中并不具有足够的刚性、尺寸稳定性或透明性等，这严重地影响了聚丙烯树脂的使用性能。因此，众多国内外的研究者从聚合技术、成型技术、复合材料技术等方面对聚丙烯进行改性，以提高其使用性能。其中，通过加入成核剂，改善成型过程的结晶速度，细化晶粒，以提高制品的抗冲击性能、透明性及光泽度，是实现聚丙烯高性能化最常用的方法 [8]。
良好的成核剂应具备以下特性：可被聚合物润湿或吸附；与PP相容性好；熔点应高于相应的聚合物；应能以细微的方式 (1～10μm)均匀分散于聚合物熔体中；在PP的成核温度下成为微晶核，可成为PP的外加晶核，其晶面吸附PP链段的能力极强。PP成核剂从对结晶形态的影响上可分为α晶型和β晶型两种成核剂，从化学结构上可分为无机类和有机类[9]。
有机成核剂包括有机磷酸盐、羧酸金属盐、山梨醇衍生物、松香类、高分子类等。
表1.2 常用成核剂的种类
种类数 无机成核剂 有机成核剂 高分子聚合物
1 CaCO3 二(苯亚甲基)山梨醇 聚3-甲基丁烯-1
2 SiO2 二苄叉山梨醇（DBS） 聚乙烯基环烷
3 TiO2 二（对-甲基苄叉）山梨醇（MDBS） 聚乙烯基环硅烷
4 滑石粉 β-萘甲酸钠 乙丙橡胶（EPDM）
5 Y2O3 苯乙酸铝 聚乙烯（PE）
20世纪70年代中期，Hamada K等发现，在PP中添加山梨醇缩苯甲醛 (DBS)可提高PP的透明性和光泽度，从而使透明型成核剂获得了迅速的发展，并于20世纪80年代初实现了透明PP的商业化。目前山梨醇衍生物类成核剂已发展到第三代[10]。
第一代以美国Milliken化学品公司生产的Millad3905和新日本化学品公司的Gel ALLD为代表，化学结构为山梨醇缩二苯甲醛；
第二代以Millad3940、EC化学品公司的EC24和三井东亚公司的NC24为代表，使用取代的苯甲醛 (如对氯苯甲醛)为原料；
第三代以Millad公司的Millad3988为代表，使用3，4-二甲基苯甲醛为原料，一般用量仅为PP的0.2%～0.3%。
Smith TL等研究了山梨醇类成核剂在PP中的成核机理，认为PP的结晶过程是沿着成核剂表面外延生长的，山梨醇类成核剂能够加快PP熔体无规线团向螺旋结构转变并对螺旋结构具有稳定作用，成核剂的成核能力取决于成核剂分子与PP螺旋结构之间的范德华力。目前国内的成核剂开发生产主要集中在山梨醇类。主要产品有兰州化学工业公司开发的山梨醇类成核剂DBS和山西省化工研究所近年来成功开发出二苄叉山梨醇类的TM系列成核剂[11-20]。
有机成核剂对聚丙烯影响较大的是结晶温度、弯曲弹性模量、冲击强度、透明性等。成核剂能同时提高聚丙烯的刚性和冲击强度原因是小的球晶界面结合强度高，裂纹沿小尺寸界面扩展消耗的能大。当材料受到外力作用时，有更多的粒子承受外力冲击，使应力得到均匀分散。冲击强度提高，使聚丙烯的应用范围更加广泛[21]。
但添加α成核剂二(苯亚甲基)山梨醇的PP制品在生产过程中模具温度和冷却时间是主要的工艺参数，其对制品的晶体形态和结晶度有很大的影响，最终影响制品的使用性能。本课题拟对制备添加α成核剂二(苯亚甲基)山梨醇的PP制品过程中的模具温度和冷却时间这两个工艺参数进行研究，以期找到最佳的模具温度和冷却时间，使PP制品的性能达到最好。
高分子材料的加工成型不是单纯的物理过程，而是决定高分子材料最终结构和性能的重要环节。一般塑料制品常用的成形方法有挤出、注射、压延、吹塑、模压或传递模塑等。　　
在成型过程中，聚合物有可能受温度、压强、应力及作用时间等变化的影响，导致高分子降解、交联以及其他化学反应，使聚合物的聚集态结构和化学结 ……（未完，全文共24782字，当前仅显示4457字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：添加α成核剂二(苯亚甲基)山梨醇的PP制品模具温度和冷却时间的工艺研究》）