专利名称：一种使聚丙烯均聚物形成片层微观结构的方法
技术领域：
本发明属于有机高分子材料领域，具体地说涉及一种通过低温下压力诱导流动使聚丙烯均聚物形成片层特殊微观结构的方法。
背景技术：
聚丙烯(PP)塑料由于其低密度、价格低廉、易成型加工的特点而得到广泛的应用，但在工程材料及结构性材料领域则由于其实际强度(尤其是冲击强度)低而应用较少。从聚合物形态学来看，制品的宏观性能由聚合物的形态决定，而成型加工方法和加工工艺条件能影响聚合物的形态。传统的加工方法一般在较高的温度下(一般高于200℃)进行，这使得聚合物及添加剂降解现象严重，而且传统的加工方法得到的聚合物材料中，分子链是一种无规缠绕、折叠和扭曲状态，这使得化学键本身的高强度并没有在宏观上转化为制品本身的强度。
注塑成型是最广泛应用的加工方法，近年来对注塑成型自增强的研究层出不穷。Bayer R K，et al.Polymer Engineering and Science 1989，29，186报道了拉伸流动注射成型方法，在普通注塑机上实现了PE的自增强，制得了拉伸强度达到150MPa的试样。王惠民，益小苏.聚乙烯自增强材料结构与性能的研究.高分子材料科学与工程，1991，7，49及益小苏.高密度聚乙烯材料的注塑自增强工艺研究.高分子材料科学与工程，1990，6，56～60采用普通注射设备，使国产HDPE(7100F)自增强后的强度和弹性模量分别提高了6倍和4倍。其最为关键的工艺参数是注射压力和注射温度，在最佳的工艺条件下注射充模过程中的拉伸流动诱导分子链伸展取向并结晶，生成热力学稳定的结晶相—串晶。
另外，辊压成型也是一种很有效的加工方法。D.C.Sun，E.M.Bergand J.H.Magill.Polym.Eng.Sci.，1990，30，635报道了PP、HDPE、PVDF和PE-PP嵌段共聚物的辊压成型，发现所有辊压成型后的试样的机械强度在三个轴向方向上都有提高，并揭示了结构与性能的关系。但其中均未报道在加工中形成“片层状结构”形貌。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种使聚丙烯均聚物形成片层微观结构的方法，以解决现有技术的缺陷。
本发明的原理为以PP均聚物切片为原料，注塑成型为坯料，然后将该坯料放置于模具中，在低于PP熔点的温度和一定压力作用下，在模具中产生流动，由于聚丙烯微观结构中的晶区与非晶区在低温下具有不同的流动变化性能，从而在成型材料中产生了“层状结构”，这些结构的产生提高了聚合物材料的力学性能。然后将成型后的聚丙烯样品进行热处理，用以消除加工过程中的残余应力。
本发明的方法具体步骤为①聚丙烯均聚物坯料制备将聚丙烯均聚物切片通过注塑成型方法(该方法为传统方法)制备成聚丙烯坯料，注塑温度为180℃～250℃，注塑压力为60bar～160bar；②聚丙烯均聚物坯料的压力诱导流动成型将坯料放入模具中，在10℃～140℃的温度条件下，压力为1MPa～2GPa，压制1min-100min，实现聚丙烯均聚物低温压力诱导流动成型。
由于聚丙烯微观结构中的晶区与非晶区在低温下具有不同的流动变化性能，从而在成型材料中产生了“层状结构”。该成型过程可以采用压力机、液压机或硫化机等设备，并最好成绩具有一定的量程和精度，量程为25兆牛顿，精度为0.1兆牛顿。
其中步骤①中最佳的注塑温度为190～230℃；最佳的注塑压力为80～120bar；步骤②中压力诱导流动成型的最佳温度为20～100℃，压力范围最佳为0.3～1.2GPa，压制时间优选为3～15min。
该方法还包括对成型后的聚丙烯样品进行热处理，热处理的温度为50～160℃，热处理时间为1min～240min，以消除样品内残余内应力。
其中最佳的热处理温度为100～140℃，热处理时间为10～120min。
本发明提供聚丙烯均聚物的特殊微观结构的加工方法的特点是1.该方法形成了典型的“片层状结构”微观结构的高聚物样条，发现“片层状结构”更大地改善了材料的冲击性能。
2.该方法成型的聚丙烯样条，经不同的热处理工艺后，发现其力学性能进一步提高，源于低温成型造成材料内部的残余应力的消除。
3.采用低温压力诱导流动的方法，加工过程中温度较低，减少了共聚物在加工成型中的能耗，改善了制品的性能。
4.由于是低温成型，可在加工中减少了多种助剂的添加，节省了成本且减少了循环中的环境污染。
本方法具有成型工艺简单易行、能耗低等特点。
低温压力诱导流动成型由于其在低温下成型，因而避免了高温添加剂(特别是抗氧剂)的使用，且能通过高压诱导改变聚合物内部形态结构来提高性能(特别是冲击强度)。因此，对于聚丙烯材料来说，低温压力诱导流动成型的研究有着重要的意义。
图1.注塑成型PP截面形貌(500×)图2.注塑成型PP截面形貌(2000×)图3.压力诱导流动成型示意4.在50℃，1200MPa下流动成型PP截面形貌(500×)图5.在50℃，1200MPa下流动成型PP截面形貌(2000×)图6.在20℃，1200MPa下流动成型PP截面形貌(500×)图7.在20℃，1200MPa下流动成型PP截面形貌(2000×)图8.在80℃，1200MPa下流动成型PP截面形貌(500×)图9.在80℃，1200MPa下流动成型PP截面形貌(2000×)具体实施方式
通过以下实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。
实施例1采用注塑成型方法制备聚丙烯坯料(其截面形貌如图1和图2示)，其中注塑机料筒各区温度设定为200℃-205℃-195℃-190℃，注射压力为100bar。将制备的坯料放入自制的模具中压力流动成型(如图3示)，在50℃及1.2GPa的压力下，压制5分钟，形成特殊的“片层状结构”(其截面形貌如图4和图5示)。最后将成型后的样品于100℃下进行热处理30分钟。
实施例2按实施例1所述方法，将聚丙烯均聚物坯料在室温下(20℃)，不同的压力条件下实施压力诱导流动成型5分钟(截面形貌如图6和图7示)，成型后未经热处理样条的力学性能如下表1. 20℃，保压5min；不同成型压力下的力学性能
实施例3按实施例1所述方法，将聚丙烯均聚物坯料在温度为50℃，不同的压力条件下实施压力诱导流动成型5分钟，成型后未经热处理样条的力学性能如下表2. 50℃，保压5min；不同成型压力下的力学性能
实施例4按实施例1所述方法，将聚丙烯均聚物坯料在温度为80℃，不同的压力条件下实施压力诱导流动成型(其截面形貌如图8和图9示)5分钟，成型后未经热处理样条的力学性能如下表3. 80℃，保压5min；不同成型压力下的力学性能
实施例5按实例1所述方法，在100℃下热处理不同时间。热处理后样品冲击性能变化列表如下表4. 100℃下，不同热处理时间下的聚丙烯的冲击强度
实施例6按实例1所述方法，在140℃下热处理不同时间。热处理后样品冲击性能变化列表如下表4. 140℃下，不同热处理时间下的聚丙烯的冲击强度
权利要求
1.一种使聚丙烯均聚物形成片层微观结构的方法，其特征在于该方法的具体步骤为①聚丙烯均聚物坯料制备将聚丙烯均聚物切片通过注塑成型方法制备成聚丙烯坯料，注塑温度为180℃～250℃，注塑压力为60bar～160bar；②聚丙烯均聚物坯料的压力诱导流动成型将坯料放入模具中，在10℃～140℃的温度条件下，压力为1MPa～2GPa，压制1min-100min，实现聚丙烯均聚物低温压力诱导流动成型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤①中注塑温度为190～230℃；注塑压力为80～120bar。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤②中压力诱导流动成型的温度为20～100℃，压力为0.3～1.2GPa，压制时间为3～15min。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于该方法还包括成型后的聚丙烯样品进行热处理，热处理的温度为50～160℃，热处理时间为1～240min。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的热处理温度为100～140℃，热处理时间为10～120min。
全文摘要
本发明提供了一种通过低温下压力诱导流动使聚丙烯均聚物形成片层特殊微观结构的方法，该方法先将聚丙烯均聚物制备成坯料，然后在低温下压力诱导流动形成“片层结构”，该方法处理后的聚丙烯聚合物的力学性能大幅度提高，尤其是冲击强度。同时对成型后的样条进行热处理，发现其力学性能进一步提高。该方法具有成型工艺简单、能耗低等特点，在聚丙烯均聚物的加工中具有广泛应用前景。
文档编号B29B11/00GK1923489SQ20061011624
公开日2007年3月7日 申请日期2006年9月20日 优先权日2006年9月20日
发明者余木火, 樊振兴, 敖婷婷, 焦明立, 滕翠青, 韩克清, 袁象恺 申请人:东华大学