Transcript 高分子物理实验聚丙烯的结晶形态与性能

实验1 聚丙烯的结晶形态与性能
讲义内容
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知识回顾
实验部分
结果与讨论
思考题
知识回顾
几个关键词：
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聚丙烯
结晶
形态
性能
知识回顾
• 聚丙烯（PP）是性能优良、应用广泛的通用塑
料，具有机械性能好、无毒等优点。
• 在实际应用中，有时需要改善PP的透明性、力
学性能（刚性和韧性）和耐热性能、缩短加工
成型周期等要求。
• 本实验采取在PP中加入成核剂的方法，通过成
核剂的异相成核作用，改善结晶形态，提高PP
的相关性能。
知识回顾
聚合物的结构·性能
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按照是否能够结晶，聚合物可分为结晶型和
非晶型两种
聚合物的结晶过程可分为成核和晶片生长两
步
结晶过程中的成核又可以分为均相成核和异
相成核两种
聚合物结晶总速率决定于成核速率和晶片生
长速率
知识回顾
聚合物的结构·性能
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聚合物结构可以分为5个层次
聚合物结构决定了性能，性能反映了结构
聚合物性能包含一些动态性能和静态性能
分子运动是联系聚合物结构、性能的纽带
实验部分
实验目的
• 学会分析和理解成核剂与结晶速度
和结晶形态的关系，结晶形态与光
学性能之间的关系
• 熟悉并掌握聚合物结晶形态观察和
晶体尺寸的测定方法
• 学会调试和使用偏光显微镜
实验原理
• 物质发出的光波具有一切可能的振动方
向，且各方向振动矢量的大小相等，称
为自然光。
• 当矢量固定在一个固定平面内只沿一个
固定方向作振动时，这种光称为偏振光。
• 偏振光的光矢量振动方向和传播方向所
构成的面称为振动面。
• 自然光通过偏振棱镜或人造偏振片可获
得偏振光。利用偏光原理，可对某些物
质具有的偏光性进行观察的显微镜，就
称为偏振光显微镜。
• 用偏光显微镜研究高分子（聚合物）的结晶
形态是目前较为简便而直观的方法。
• 偏光显微镜的成像原理与常规金相显微镜基
本相似，所不同的是在光路中插入两个偏光
镜。一个在载物台下方，称为下偏光镜，用
来产生偏光，故又称起偏镜；另一个在载物
台上方的镜筒内，称为上偏光镜，它被用来
检查偏光的存在，故又称检偏镜。
• 凡装有两个偏光镜，而且使偏振光振动方向
互相垂直的一对偏光镜称为正交偏光显微镜。
• 起偏镜的作用使入射光分解成振动方向互相
垂直的两条线偏振光，其中一条被全反射，
另一条则入射。正交偏光镜间无样品或有各
向同性（立方晶体）的样品时，视域完全黑
暗。
• 当有各向异性样品时，光波入射时发生双折
射，再通过偏振光的相互干涉获得结晶物的
衬度。
图1 XPR-201偏光显微镜
• 聚丙烯的聚集态结构由晶区和非晶区两
部分组成，球晶的尺寸一般在0.5～
100μm之间。
• 由于晶区和非晶区的密度和折光率不同，
而且晶区的尺寸通常大于可见光的波长
（400～780nm），所以光线通过聚丙烯
时在两相的界面上发生折射和反射，导
致聚丙烯制品呈现半透明性。
• 由于结晶部分的存在，结晶聚合物较相
应结构的非晶聚合物有更好的机械强度
和耐热性。
• 近年来，聚丙烯透明化成为新产品开发
的一个亮点，聚丙烯透明化产品在包装
容器、注射器、家庭用品等领域的用量
急剧增加。
• 加入结晶成核剂是聚丙烯透明化的主要
改性技术。
• 使用成核剂改进聚丙烯透明性的关键是
减少球晶或晶片的尺寸，让它小于可见
光的波长。
• 在结晶聚合物中添加结晶成核剂，通过
其异相成核作用，一方面可以提高结晶
速度，缩短成型周期；
• 另一方面可以增加聚合物的结晶度，从
而提高聚丙烯的刚性和耐热性；
• 最重要的是，加入成核剂大大增加了晶
核密度，导致球晶尺寸明显降低，聚合
物的透明性得到改善。
实验材料和仪器
• 本实验使用的原材料为聚丙烯树脂和含有山梨
醇苄类成核剂的聚丙烯母粒。
• 主要仪器设备包括：
设备：带热台偏光显微镜1套。型号：XPR-201
偏光显微镜和带热台XPR201熔点测定仪
器材：载玻片、盖玻片若干；切刀1把；镊子1个
材料：PP注射试样，加入成核剂的PP试样
实验内容
1．聚丙烯与成核剂的混合以及试样的制备
将聚丙烯树脂与成核剂母料接照一定配比均匀混
合，在塑料注塑机上制成供测试和表征用的样品。
实验内容
2．聚丙烯结晶形态的分析表征
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制备样品——使用盖玻片和载玻片分别将加入成核
剂前后的聚丙烯树脂在230℃下熔融，压制成薄膜；
然后在120℃的热台上等温结晶30分钟，即可制得
观察聚丙烯球晶的样品。
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将制备好的试样放在偏光显微镜的载物台上，选择
适当的放大倍数，观察并比较加入成核剂前后聚丙
烯试样的球晶形态和球晶尺寸。
实验结果与讨论
1. 描述加入成核剂前后聚丙烯的结晶形态及其变化，
测量聚丙烯晶体的大小；
2. 讨论成核剂对结晶形态和结晶度的影响，并分析
原因；
3. 掌握聚合物的结构形态和性能的关系。
思考题
为什么球晶在偏光显微镜下呈黑十字花样？
聚合物结晶形态有哪几种？简单描述其特征。
聚合物的球晶是如何生成的？其结构怎样？
聚丙烯球晶的有无及其大小对聚合物的力学性能有何影响？
为什么在观测PP球晶时，有时候看不到黑十字，而只能看到
许多明暗相间的径向发射状的条纹？
6. 对于普通的偏光显微镜，如何将其调成为正交偏光显微镜？
7. 冷却速率（非等温结晶）或结晶温度（等温结晶）对聚丙烯球
晶大小与球晶生长速率的影响如何?试说明原因。
8. 聚合物的结晶过程怎样？
9. 简述什么叫均相成核和异相成核？
10. 为什么加入成核剂可以提高聚丙烯的结晶速度？为什么聚丙烯
结晶度的提高能够提高其刚性和耐热性？
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