塑料的结晶原理与控制

塑料结晶,是一种塑料内大分子链按一定规律形成三维有序排列的现象。结晶可以影响塑料制品的许多性能,下面分别论述各方面性能受结晶的影响。首先介绍一下结晶度的概念,结晶度的定义为结晶材料内结晶部分体积或重量占整个材料体积或重量百分比,一般塑料的结晶度都不十分高。

 

一、结晶对材料性能的影响

在力学性能方面,塑料的模量、刚性及硬度都随结晶度升高而增大,耐蠕变及应力松弛也会随结晶度升高有所改善,拉伸强度则随着结晶度的升高存在一个波谷,即在一定结晶度前拉伸强度随结晶度升高而降低,之后则随结晶度升高而升高。而塑料的冲击强度则随塑料的结晶度升高而降低。

 

在光学性能方面,过高的结晶度会影响塑料的透明性,因为结晶区和非结晶区的折光指数差异较大。

 

在热学性能方面,塑料的结晶可提高其热变形温度,从而提高塑料的使用温度。在塑料不结晶或低结晶度时,塑料的使用温度为玻璃化温度;当塑料的结晶度达到40%以上后,最高使用温度可达到塑料的结晶熔点附近。

 

因此,控制塑料的结晶度,就可以在改性方面对塑料的性能进行控制,具有较大的意义。

 

二、控制塑料结晶的方式

1、温度控制法

①熔融温度: 熔融温度越低,越有利于均相成核的晶核形成,增加晶体生长点,即可以提高结晶度,又可以使晶体尺寸减小。所以在具体加工过 程中,在保证塑化成型前提下,熔融温度稍低一点,对结晶有利。

 

②冷却温度: 冷却温度对结晶度及结晶质量影响最大,是控制结晶的最有效的方法。

 

缓慢冷却,可使塑料在结晶区内停留时间加长,从而使结晶度升高,但缓慢冷却却容易产生粗大的球晶,对韧性不利而对刚性及硬度有利。

 

快速冷却,一方面使塑料迅速经过结晶区域,从而降低结晶度;另一方面由于晶体生长时间短,也使结晶尺寸变细,有利于透明性及韧性的改善。

 

在实际应用中,采取缓冷还是快冷,视产品性能需要而定。如果要求产品的透明度高,则需快速冷却;如果要求产品刚性及硬度高, 则需缓慢冷却。

 

2、成核剂控制法

成核剂的加入主要是促进异相成核,增加晶体生长点,使结晶度提高,并使晶体颗粒变细,从而改善冲击强度、屈服强度及光泽等。

成核剂有无机类、有机类及高分子三类

 

①无机成核剂。无机成核剂以滑石粉为主,同时包括:碳酸钙、云母、无机颜料等。这类成核剂对塑料透明性有影响,因而应限制其在透明制品中的用量。

 

②有机成核剂。有机成核剂主要有:钠、镁、铝、钛等金属芳香羧酸盐、有机磷酸盐、山梨醇糖类等。

 

③有机高分子成核剂。有机高分子成核剂为一些高熔点的聚合物,如乙烯基环烷烃可用于PP等。

 

成核剂不仅可以使晶体尺寸变细,还可以决定具体的晶型种类。以PP为例,在其制品成型过程中加入β晶型成核剂,可以促进β晶型的生成,最高可使β晶型含量达到85%-95%.常用的β晶型成核剂有:喹叮啶酮染料、永久红、DACP(有机羧酸盐与金属盐复合成核剂)等。

 

3、拉伸控制法

对已经结晶的塑料薄膜及片材类制品进行拉伸,可以使晶体破碎而形成尺寸细小的晶体,并沿拉伸方向形成串晶,从而可以改善其制品韧性,并大幅度提高拉伸强度、光泽度、硬度、阳隔能力等性能。拉伸方法即可以改变塑料的结晶质量,也可以提高其结晶度。

 

4、热处理控制法

热处理—方面可进一步促进结晶而增大结晶度;另一方面可完 善结晶质量,使匆忙结晶而留下的结晶缺陷得到充分的修补。热处理还可使晶体内的不同晶型发生互相转化。如对含有β晶型的PP 制品,在熔点以上进行热处理会全部熔解,再结晶时,将转化为α晶型,而拟六方晶型在70度以上热处理即可以转变成α晶型。