在线研究聚丙烯结构与性能之间的关系

本基金申请课题应用Linkam拉伸热台，同时结合在线拉伸光学显微镜和在线拉伸激光光散射、在线拉伸X-光散系统（小角和广角同步辐射X-光光源），观测聚丙烯在不同拉伸条件下的多级结构（包括球晶、片晶、微晶等）和结构转变行为，研究聚丙烯拉伸过程不同晶型的转变，在不同尺度范围内跟踪体系的拉伸诱导形态结构的演变过程，结合应力-应变曲线阐明不同拉伸温度、拉伸速率对聚丙烯结构与力学性能的影响规律。通过研究不同拉伸条件下的聚丙烯结构及其变化过程，进一步认识高分子拉伸诱导高分子结构转变机理和结构控制机制，理解拉伸诱导聚丙烯形态结构与性能和聚合物流体自由能变化之间的内在联系，从不同尺度认识聚丙烯拉伸过程多尺度结构变化与性能的关系，为高分子材料的设计以及性能的优化提供依据。

我们利用拉伸热台结合偏光显微镜和同步辐射X射线小角散射、广角散射观测了全同聚丙烯在拉伸过程中测得应力-应变曲线的同时观测了拉伸过程中球晶、片晶和微晶不同结构的变化。球晶的形状、尺寸随温度不同而改变，拉伸过程中球晶的破坏各有不同，有时球晶会被破坏，有时破坏发生在球晶间。在β成核剂诱导的β结晶为主的iPP中晶型的转变随拉伸温度的不同而不同，温度越高越有利于拉伸诱导晶型转变；晶型的转变发生在屈服之后，而在屈服前主要是非晶相或者介晶相的变化。在屈服前的弹性变形阶段，垂直于拉伸方向上的长周期随着应变的增加而增大，而平行于拉伸方向的长周期保持不变。通过研究α成核剂诱导iPP得到的α iPP在不同温度下拉伸时的结构转变， 揭示了屈服应变不依赖于拉伸温度的本质原因。发现拉伸开始后，非晶区首先被拉伸且平行于拉伸方向取向，同时平行于拉伸方向的片晶向垂直于拉伸方向取向，屈服点后样品发生熔融-重结晶现象。拉伸开始直至屈服点之前非晶链段伸展直至伸展极限，由于不同温度下拉伸的样品最初的结晶度大致相同，所以非晶区尺寸的变化大致相同，而造成屈服应变不依赖于拉伸温度的现象。屈服以后片晶开始破碎，低温下形成介晶，高温下生成新的片晶，且新片晶的尺寸随着拉伸温度的增加有所增加。对不同退火条件处理后的等规聚丙烯进行了原位拉伸测试，探究退火条件对聚丙烯结构和性能的影响。发现聚丙烯的屈服强度随着退火温度的升高而增大，屈服应变和断裂韧性却随着退火温度的升高而降低；退火温度的升高能够使等规聚丙烯的结晶度增大，片晶厚度增加，而且高温退火处理后会使β-iPP向α-iPP转变。不同时间的退火处理后的β-iPP的结构随着退火时间的延长，β-iPP的结晶度有所增加，结晶结构变得更加完善，材料的屈服强度也逐渐变大；退火处理后的β-iPP的长周期增大是由晶层厚度和非晶层厚度共同增加的结果，而且大约在半小时内片晶结构变化显著。退火处理后β-iPP在室温条件下拉伸时会使原有的β晶或β/α混合晶逐渐转变为平行于拉伸方向的介晶，且平行于拉伸方向上的长周期变大，垂直于拉伸方向的长周期基本不变；片晶在拉伸过程中先沿垂直于拉伸方向取向，然后沿平行于拉伸方向取向。利用研究聚丙烯结构与性能原位观测技术我们对PVDF、PVDF/石墨烯复合体系、PA6、PBS、PLA等高分子进行了研究并发表了系列期刊论文。