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熱致相分離法制備聚丙烯膜材料及其形態(tài)結(jié)構(gòu)的相關(guān)性

2017-06-15 18:10:49渤,靜,2,法,威,軍,學(xué)
關(guān)鍵詞:球晶膜結(jié)構(gòu)稀釋劑

張 渤, 郭 靜,2, 劉 元 法, 齊 善 威, 楊 利 軍, 黃 學(xué) 淋

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034;2.大連工業(yè)大學(xué) 遼寧省功能纖維及其復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心, 遼寧 大連 116034 )

熱致相分離法制備聚丙烯膜材料及其形態(tài)結(jié)構(gòu)的相關(guān)性

張 渤1, 郭 靜1,2, 劉 元 法1, 齊 善 威1, 楊 利 軍1, 黃 學(xué) 淋1

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034;2.大連工業(yè)大學(xué) 遼寧省功能纖維及其復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心, 遼寧 大連 116034 )

以聚丙烯為基材,固體石蠟為稀釋劑,聚乙烯蠟為增容劑,取代芳基酰胺類化合物為成核劑,通過(guò)熱致相分離法,制備了聚丙烯膜材料。探討了制膜條件對(duì)聚丙烯膜材料相分離過(guò)程和結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,相分離溫度隨著制膜條件中各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì),改變成膜條件可以很好地控制膜的結(jié)構(gòu)。當(dāng)聚乙烯蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、成核劑為2%、固體石蠟為33%、聚丙烯為35%時(shí),聚丙烯膜材料的綜合性質(zhì)良好。

聚丙烯膜材料;熱致相分離;膜結(jié)構(gòu)

0 引 言

熱致相分離法(TIPS)是20世紀(jì)80年代由Castro提出的一種由溫度改變導(dǎo)致相分離來(lái)制備微孔膜的方法[1]。使用高沸點(diǎn)、低分子質(zhì)量稀釋劑在高溫與高聚物形成均相溶液,降溫時(shí)均相溶液發(fā)生固-液或液-液相分離[2],而后脫除稀釋劑,從而得到具有一定結(jié)構(gòu)的高聚物微孔膜。與其他制膜方法比較,TIPS法制得的膜強(qiáng)度高,且具有孔徑分布窄、孔隙率高、孔徑易于調(diào)控等優(yōu)點(diǎn),因此受到人們的關(guān)注并得到較為系統(tǒng)的研究[2]。聚丙烯(PP)是量大面廣的高分子材料,以其諸多的優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已成為一種發(fā)展迅速、應(yīng)用范圍廣泛的熱塑性塑料[3]。

選用PP作為制備膜材料的基材,其化學(xué)穩(wěn)定性和熱絕緣性等均優(yōu)于醋酸纖維素膜和混合纖維素膜。張翠蘭等[4]已對(duì)熱致相法制膜的熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了的論述,Matsuyama等[5]報(bào)道了3種稀釋劑(水楊酸甲酯MS、聯(lián)苯醚DPE、二苯基甲烷DPM)對(duì)聚丙烯/稀釋劑的相圖和液滴生長(zhǎng)的影響。隨著IPP/MS、IPP/DPE、IPP/DPM 3種體系相容性的增加,濁點(diǎn)曲線向低溫轉(zhuǎn)移。稀釋劑的類型對(duì)結(jié)晶溫度的影響不是很大。在3種體系中,液滴尺寸的差異歸因于液滴增長(zhǎng)時(shí)間間隔的不同。Vadalia等[6]以鄰苯二甲酸二癸酯和十六烷為共溶劑,通過(guò)熱致相分離法制備高密度聚乙烯(HDPE)微孔纖維膜。研究表明,通過(guò)改變助溶劑的組成,可以成功地控制相分離過(guò)程和膜形態(tài)。有關(guān)制膜條件對(duì)聚丙烯膜材料相分離過(guò)程的研究還鮮見報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)主要研究了制膜條件對(duì)聚丙烯膜相分離過(guò)程的影響,以得到制膜的最佳條件。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

等規(guī)聚丙烯,等規(guī)度95%,燕山石化有限公司;固體石蠟(52#),食品級(jí),荊門市維嘉化工有限公司;聚乙烯蠟,PPH-T-045(5004),中國(guó)石油遼油石化公司;聚丙烯成核劑,取代芳基酰胺類化合物(代號(hào):TMB-5-sh),上海塞克化工有限公司;四氯化碳,分析純,天津市福晨化學(xué)試劑廠。

1.2 膜材料的制備

將等規(guī)聚丙烯、固體石蠟、聚乙烯蠟和成核劑按一定比例混合,在氮?dú)獗Wo(hù)下將混合體系溫度升高到200 ℃,恒溫下保持5 min,然后將熔體倒在干凈的四氟乙烯板上,蓋上另一塊四氟乙烯板,并加上負(fù)荷(0.016 kg/cm3),制成初生膜材料,以四氯化碳為萃取劑萃取稀釋劑,獲得膜材料。

1.3 相分離過(guò)程的測(cè)定

取一定形狀規(guī)則的初生膜材料,密封在兩片蓋玻片之間,以10 ℃/min的升溫速率升溫到270 ℃,恒溫5 min,再以10 ℃/min的速率進(jìn)行冷卻,記錄出現(xiàn)固液相分離時(shí)的溫度即為濁點(diǎn)溫度。每個(gè)試樣至少測(cè)5次,取平均值。根據(jù)濁點(diǎn)繪制相分離曲線。

1.4 相形態(tài)的測(cè)定

采用DM2500P型偏光顯微鏡對(duì)制備的膜材料的表面進(jìn)行觀測(cè)。由光學(xué)顯微鏡直觀觀測(cè)膜的形態(tài)和孔徑大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 制膜條件對(duì)相分離過(guò)程的影響

2.1.1 聚乙烯蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)相分離過(guò)程的影響

聚乙烯蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)相分離過(guò)程的影響見圖1。由圖1可見,在一定的冷卻速率下,隨著溫度降低,聚丙烯/固體石蠟體系具有下臨界混溶溫度(LCST)。低于此溫度,體系呈現(xiàn)固-液相分離現(xiàn)象;高于此溫度,則呈現(xiàn)單一均相狀態(tài)。聚乙烯蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%時(shí),聚丙烯/固體石蠟體系存在最低混溶溫度,為111.3 ℃;聚乙烯蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5.0%,相分離溫度隨聚乙烯蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減?。痪垡蚁┫炠|(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5.0%,相分離溫度隨聚乙烯蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。

圖1 聚乙烯蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)相分離過(guò)程的影響

熱致相過(guò)程中的固-液(S-L)相分離或在兩相共存在(binodal)與亞穩(wěn)基線(spinodal)之間的亞穩(wěn)區(qū)發(fā)生的液-液(L-L)相分離均可由成核-生長(zhǎng)機(jī)理來(lái)解釋[7-8]。在本研究中,當(dāng)混合體系被加熱到X點(diǎn)所代表的溫度時(shí),形成組成為X所代表的液相與純聚丙烯相。隨著溫度的降低,純聚丙烯的組成不變,但是量不斷增加。在此過(guò)程中,由于初始的多相成核過(guò)程,先形成富聚合物相的晶核,然后由于純聚丙烯的結(jié)晶過(guò)程,形成純聚丙烯晶核,并不斷長(zhǎng)大,形成片晶,片晶與片晶聚集形成球晶。隨著溫度的進(jìn)一步降低,聚丙烯完全成為固相后,剩余的溶液相發(fā)生L-L相分離。這種相分離形式與侯文貴等[9]給出的S-L相分離過(guò)程相符合。

2.1.2 成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)相分離過(guò)程的影響

成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)相分離過(guò)程的影響見圖2。成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí),聚丙烯/固體石蠟體系的最低混溶溫度為113.3 ℃;當(dāng)成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.0%,相分離溫度隨成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小,當(dāng)成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.0%,相分離溫度隨成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大,這是由于在成核劑含量較低時(shí),成核劑起到了小分子增塑作用,所以當(dāng)成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.0%,相分離溫度隨成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小;而當(dāng)成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.0%,聚丙烯結(jié)晶速率大大增加,使球晶尺寸減小,數(shù)量增加,進(jìn)而大大增加了分子間作用力,所以相分離溫度隨成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。

圖2 成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)相分離過(guò)程的影響

2.1.3 固體石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)相分離過(guò)程的影響

固體石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)相分離過(guò)程的影響見圖3。在固體石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.0%時(shí),聚丙烯/固體石蠟體系的最低混溶溫度為115.3 ℃。當(dāng)固體石蠟含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于26.0%,相分離溫度隨固體石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減??;當(dāng)固體石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于26.0%,相分離溫度隨固體石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是固體石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于26.0%時(shí),在體系發(fā)生S-L相分離形成球晶的過(guò)程中,固體石蠟有機(jī)會(huì)被截留球晶中,且隨著固體石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,被截留的成分也越多,而被截留在球晶中固體石蠟,可以被看作是貧相,相當(dāng)于小分子增塑劑,所以在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí),體系的相分離溫度會(huì)隨著固體石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而降低;而當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)26.0%時(shí),聚丙烯-稀釋劑體系的黏度大大增加,相分離速度減慢,所以相分離溫度隨固體石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。

2.1.4 聚丙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)相分離過(guò)程的影響

聚丙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)相分離過(guò)程的影響見圖4。在聚丙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.0% 時(shí),聚丙烯/固體石蠟體系的最低混溶溫度為112.8 ℃;聚丙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于38.0%,相分離溫度隨固體石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小;聚丙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于38.0%,相分離溫度隨固體石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。這是因?yàn)槌跏假|(zhì)量分?jǐn)?shù)小于38.0%時(shí),優(yōu)先發(fā)生L-L相分離。在聚丙烯/稀釋劑體系被加熱到Y(jié)點(diǎn)所代表的溫度時(shí),形成組成為Y的均相溶液。通過(guò)冷卻,在某處濃度波動(dòng)足夠大時(shí),發(fā)生相分離生成貧聚合物相,會(huì)使體系總的自由能下降。隨著溫度的不斷降低,由于稀釋劑的擴(kuò)散,貧聚合物相不斷長(zhǎng)大成液滴。最后體系分相形成為在連續(xù)的富聚合物中分散著大量的貧聚合物相液滴。在此過(guò)程中,等量成核劑情況下,隨著聚丙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,體系的結(jié)晶度下降,分子間作用力減弱,所以相分離溫度向低溫方向移動(dòng)[10-11];而當(dāng)初始濃度大于38.0%時(shí),優(yōu)先發(fā)生S-L相分離,在發(fā)生相分離過(guò)程中,隨著聚丙烯初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,聚合物/稀釋劑體系黏度增加,所以相分離溫度隨著其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而升高。

圖3 固體石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)相分離過(guò)程的影響

圖4 聚丙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)相分離過(guò)程的影響

2.2 制膜條件對(duì)膜結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 聚乙烯蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膜結(jié)構(gòu)的影響

在聚丙烯/固體石蠟體系中,聚乙烯蠟類似一種遙爪聚合物,隨著溫度的升高,聚乙烯蠟既可以與聚丙烯相容,又可以與固體石蠟相容。如圖5所示,為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚乙烯蠟下聚丙烯/固體石蠟體系觀察到的表面結(jié)構(gòu)。由圖5可以看出,與添加聚乙烯蠟相比,在無(wú)聚乙烯蠟時(shí),所得到的膜結(jié)構(gòu)其孔徑分布很不均勻。因而,聚乙烯蠟的加入可以提高聚丙烯和固體石蠟的界面相容性,使體系混合均勻,得到孔洞分布均勻的膜結(jié)構(gòu)且孔徑相對(duì)增大。隨著溫度的降低,聚乙烯蠟會(huì)冷卻至常溫析出,以微晶的形式,在聚丙烯/固體石蠟的表面形成一個(gè)“蠟化”的表層。最終會(huì)同固體石蠟一起從體系中被四氯化碳萃取出來(lái)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大至10%后,聚乙烯蠟的加入會(huì)影響體系的整體流動(dòng)性,從而使膜孔數(shù)減少,孔徑相對(duì)減小且孔結(jié)構(gòu)不均勻。

圖5 不同聚乙烯蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膜結(jié)構(gòu)

2.2.2 成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膜結(jié)構(gòu)的影響

成核劑的不同添加量對(duì)膜形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響如圖6所示。由圖6可見,成核劑的加入明顯增加了球晶數(shù)量,減小了球晶尺寸。這種現(xiàn)象可以解釋為成核劑的加入增加了熔融聚合物結(jié)晶的位置,降低了在結(jié)晶增長(zhǎng)中形成穩(wěn)定晶核所必需的結(jié)晶焓,并且由于晶核密度的提高,降低了結(jié)晶增長(zhǎng)的可利用空間,降低了可用于形成單個(gè)球晶的聚合物的量。成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)2%后,孔徑過(guò)小,孔隙率下降,多孔膜的通透性下降[12]。

2.2.3 稀釋劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膜結(jié)構(gòu)的影響

稀釋劑的流動(dòng)性和結(jié)晶性影響相分離過(guò)程,從而影響膜結(jié)構(gòu)。如果恒溫結(jié)晶溫度高于稀釋劑結(jié)晶溫度,稀釋劑的結(jié)晶性對(duì)聚丙烯無(wú)影響。當(dāng)恒溫結(jié)晶溫度低于稀釋劑結(jié)晶溫度,若稀釋劑先于聚丙烯結(jié)晶,稀釋劑結(jié)晶決定孔結(jié)構(gòu);若聚丙烯先結(jié)晶,則稀釋劑的結(jié)晶對(duì)孔結(jié)構(gòu)影響很小[13]。固體石蠟在50 ℃結(jié)晶(所用固體石蠟的凝固點(diǎn)為55~65 ℃),此時(shí)固體石蠟的過(guò)冷度低于聚丙烯,所以其結(jié)晶沒(méi)有對(duì)膜孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的影響,因此稀釋劑對(duì)膜結(jié)構(gòu)影響的主要因素就是其流動(dòng)性。

圖6 不同成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膜結(jié)構(gòu)

圖7為稀釋劑添加量對(duì)膜結(jié)構(gòu)的影響。由圖7中可見,稀釋劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%時(shí),膜孔徑分布均勻。但是隨著稀釋劑的繼續(xù)增加,其流動(dòng)性會(huì)變得很差。隨著稀釋劑流動(dòng)性的降低,稀釋劑在成長(zhǎng)的聚丙烯球晶中遷移速度會(huì)變慢,大量的稀釋劑被包裹入球晶,球晶間的孔減少而且孔徑相對(duì)減小,如圖7(c)、(d)所示。

圖7 不同稀釋劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膜結(jié)構(gòu)

2.2.4 聚丙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膜結(jié)構(gòu)的影響

如圖8為聚丙烯的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膜形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。隨聚丙烯初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,膜平均孔徑減小。這是因?yàn)殡S聚丙烯初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,體系過(guò)冷度增大,所生成膜的球晶尺寸減小,球晶之間的堆積孔減??;又由于稀釋劑含量的降低,稀釋劑在球晶內(nèi)的聚集體尺寸減小,球晶內(nèi)孔徑減小。因此,隨著聚丙烯初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,膜孔徑變小。

圖8 不同聚丙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膜結(jié)構(gòu)

3 結(jié) 論

制膜條件對(duì)相分離溫度有一定的影響。相分離溫度分別隨聚乙烯蠟、成核劑、固體石蠟和聚丙烯含量的增加呈現(xiàn)先增后減的變化。在各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.3%、2.1%、26%和37%時(shí),存在最低混溶溫度,依次為111.3、113.4、115.3和112.8 ℃。

聚乙烯蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%,隨著其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,孔洞分布更為均勻的膜結(jié)構(gòu)且孔徑相對(duì)增大。其質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加10%后,膜孔數(shù)減少且孔徑相對(duì)減小。隨著成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,膜孔數(shù)增加,當(dāng)其增加至2%后,孔隙率下降,會(huì)影響膜材料的性能。

在其他制膜條件不變的情況下,固體石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至33%后,球晶間的孔減少而且孔徑相對(duì)減小。隨聚丙烯初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,所生成膜的球晶尺寸減小,膜平均孔徑減小。

制膜最佳條件:聚乙烯蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%,成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%,固體石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)33%,聚丙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%時(shí)。此條件下得到的膜綜合性質(zhì)良好。

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Preparation of IPP hollow-fiber microporous membrane via thermally induced phase separation and its relationship with morphology

ZHANG Bo1, GUO Jing1,2, LIU Yuanfa1, QI Shanwei1, YANG Lijun, HUANG Xuelin1

( 1.School of Textile and Material Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China;2.Liaoning Engineering Technology Research Center of Function Fiber and its Composites, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

The polypropylene film material was prepared by the thermal induced phase separation method, using PP as membrane material, solid paraffin wax as diluent, polyethylene wax as compatibilizer, substituted aryl amide compounds as nucleating agent. The effects of the film conditions on the phase diagram and structure of the polypropylene film material were discussed. The results showed the phase separation temperature increased at first and then decreased with the increase of the content of each component in the film. The film structure could be controlled by changing the film forming conditions. The comprehensive properties of the polypropylene film were better when the mass fractions of polyethylene wax, nucleating agent, solid paraffin and polypropylene were 2%, 5%, 33% and 35%, respectively.

polypropylene film material; thermally induced phases separation; membrane structure

2015-07-07.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51373027);遼寧省教育廳一般項(xiàng)目(LR2012017).

張 渤(1991-),女,碩士研究生;通信作者:郭 靜(1962-),女,教授.

TQ028.5

A

1674-1404(2017)03-0189-05

張渤,郭靜,劉元法,齊善威,楊利軍,黃學(xué)淋.熱致相分離法制備聚丙烯膜材料及其形態(tài)結(jié)構(gòu)的相關(guān)性[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(3):189-193.

ZHANG Bo, GUO Jing, LIU Yuanfa, QI Shanwei, YANG Lijun, HUANG Xuelin. Preparation of IPP hollow-fiber microporous membrane via thermally induced phase separation and its relationship with morphology[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(3): 189-193.

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