MWNTsPBT复合材料混炼工艺及性能研究

密级 公开 NANCHANG UNIVERSITY 学学 士士 学学 位位 论论 文文 THESIS OF BACHELOR 2007 2011 年 题 目 MWNTs PBT 复合材料混炼工艺及性能研究 学 院 材料科学与工程学院 专 业 高分子材料科学与工程 班 级 高分子 071 学 号 5701107104 学生姓名 朱 宏 峰 指导教师 孙 玲 起讫日期 2010 12 2011 6 目目 录录 摘 要 I Abstract II 1 引言 1 1 1 研究背景 1 1 2 碳纳米管 2 1 3 PBT 塑料 3 1 4 本课题研究意义 3 2 实验方法 4 2 1 实验原料 4 2 2 实验设备和仪器 4 2 3 复合材料的制备 4 2 3 1 混炼过程 4 2 3 2 挤出成型 5 2 3 3 模压成型 6 2 4 试样性能表征 6 3 结果与讨论 6 3 1 导电及防静电性能 6 3 1 1 表面电阻率随 MWNTs 加入量的变化 7 3 1 2 表面电阻率随混炼转速的变化 7 3 2 透射电子显微镜观察 8 3 3 扫描电子显微镜观察 9 3 4 热变形及维卡软化温度测定 11 3 5 混炼工艺优化 11 4 结论 12 附录一 基于 XRW 300 型热变形及维卡软化温度测定仪的实验开发 13 参考文献 18 致 谢 19 MWNTs PBT 复合材料复合材料混炼工艺及性能研究混炼工艺及性能研究 专 业 高分子材料科学与工程 学 号 5701107104 学生姓名 朱 宏 峰 指导教师 孙 玲 摘 要 本论文对多壁碳纳米管 聚对苯二甲酸丁二醇酯复合材料 MWNTs PBT 的 熔融混炼工艺进行研究和优化 利用表面电阻计 透射电镜和扫描电镜分析了 混炼转速和MWNTs的添加量对MWNTs PBT复合材料挤出成型制品防静电性能 的影响 并发现随着MWNTs含量的不断增加 复合材料的表面电阻率呈S型下降 趋势 MWNTs含量为6 时为复合材料的导电阈值 还发现随着混炼转速的增大 复合材料的导电性能呈下降趋势 测定复合材料的热变形及维卡软化温度 PBT塑料试样混炼改性前后耐热性能提高 关键词关键词 聚苯二甲酸丁二醇酯 多壁碳纳米管 复合材料 表面电阻率 混炼转速 MWNTs PBT composite mixing process and properties research Abstract This thesis were studied and optimized the multi walled carbon nanotubes polyethylene terephthalate composite materials MWNTs PBT melt mixing process Use of surface resistance meter transmission electron microscopy and scanning electron microscopy analyzed the mixing speed and the addition of MWNTs influence on the anti static properties of MWNTs PBT composite extrusion products and found that with increasing MWNTs content surface resistivity of the composite was a S type downward trend MWNTs content of 6 as the threshold electrical conductivity of composites also found that as the mixing speed increases the conductivity of composite materials performance decline Determination of Heat distortion temperature and Vicat softening temperature of composite materials and PBT plastic samples Before and after mixing modification the heat resistance of PBT plastic sample were improved Key words Polyethylene terephthalate Multi walled carbon nanotubes Composite materials Surface resistivity Mixing speed 1 引言引言 1 1 研究背景研究背景 一种新的功能高分子材料的发展趋势是在传统的聚合物基体共混工艺基础 上改变聚合物组分或填料品种 1 这种工艺及聚合物基复合材料的最大优势是 无限制的特性组合 更好地为产品扩展市场 与新型高分子均聚物比较其价格 更能被消费者接受 碳纳米管是这些功能填料之一 自1991年日本NEC公司基础研究实验室的 Iijima 教授在给 Nature 杂志的信中宣布合成了一种新的碳结构 2 该结构由 单层或多层石墨烯片卷曲而成的无缝中空管结构 两端由半球形的大富勒烯分子 封闭 这种结构一般被称为碳纳米管 3 碳纳米管以其独特的结构和优异的力 学 电学性能以及所呈现出的纳米特性而被许多研究者关注 近年来 碳纳米 管 聚合物复合材料已经成为研究热点 在提高聚合物基复合材料的热学 电学 力学等性能方面已经取得了很大的进展 但由于碳纳米管 聚合物导电复合材料 中的碳纳米管极易聚集和缠结 到目前为止 其导电及防静电性能的实验结果 与理论预测仍相距甚远 许多国内外学者对这方面已做了大量研究 Bauhofer 等 4 对碳纳米管改 性聚合物复合材料的实验和理论导电阈值的工作进行回顾并系统地对公开的数 据进行了全面的调查 曹等 5 对碳纳米管 环氧树脂复合材料导电性能的研究中 碳纳米管添加量为 6 时表面电阻率为 105 in2 达到抗静电材料的使用要求 祝 等 6 对聚丙烯 多壁碳纳米管复合材料导电性能的研究中 MWNTs 含量为 3 时 为复合材料的导电阈值 随着微电子技术的高速发展 大规模集成电路和超大规模集成电路已广泛应 用于各种电子装备 生产 运输 储存过程中电磁感应和摩擦所产生的静电对 各种微功耗 低电平 高集成度 高电磁灵敏度微电子产品的破坏可能是灾难 性的 静电累积产生的高压放电 已成为电子设备的主要危害源之一 对这些敏感 元器件的运输和存储必须采用具有防静电和电磁屏蔽功能的防护性包装 7 静电主要是以摩擦 感应 传导的方式产生 任何两个不同材质的物体接 触后再分离 即可产生静电 材料的绝缘性越好 越容易摩擦产生静电 对于 导电材料而言 因电子能在它的表面自由流动 如果将其置于一电场中 由于 同性相斥 异性相吸 正负离子就会转移而产生静电 如果与带电物体接触 将发生电荷转移也产生静电 8 目前 高分子材料以其质轻 抗腐蚀能力强 价格低廉 具有独特的光学 电学等性能特点在包装材料中有着广泛的应用 但此类材料表面因摩擦或撞击时 很容易产生和积累静电 所以高分子包装材料防静电至关重要 9 1 2 碳纳米管碳纳米管 1 2 1 碳纳米管的性能碳纳米管的性能 碳纳米管可分为单壁 SWNTs 双壁 DWNTs 和多壁碳纳米管 MWNTs 作为一维纳米材料 它具有重量轻 六边形结构连接完美和许多 异常的力学 电学和化学性能 其直径大约在1 30nm之间 长度可达到10 m以 上 由于碳纳米管直径和螺旋角不同 它既可呈金属导电性 亦可呈半导体特性 还表现出和经典理论完全不同的导电特性 其电阻和其长度及直径无关 电子通过 时不会产生热量加热碳纳米管 10 它还是一种永久性导电材料 具有大比表面 积 静电荷很容易在其表面聚集和定向移动 且直径和端头为纳米尺寸 隧道效 应显著 极有利于释放自身所携带的静电荷 因其具有非常大的长径比 沿着长度方向的热交换性能很高 相对的垂直 方向的热交换性能较低 通过合适的取向 碳纳米管可以合成高各向异性的热 传导材料 由于碳纳米管有着较高的热导率 只要在复合材料中掺杂微量的碳 纳米管 该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善 有些实验显示碳纳米管 可赋予聚丙烯1 5W m K 的热导率 这就为替代高填充聚合物或金属结构开 辟了道路 11 1 2 2 碳纳米管碳纳米管 聚合物基复合材料聚合物基复合材料 碳纳米管特别适合作为导电功能体来制备导电和防静电复合材料 如防静电 涂料 防静电塑料 导电橡胶等 12 碳纳米管 聚合物复合材料具有良好的导电 性能 是用于防静电包装 运输 晶片加工 磁盘制造及无尘厂房等领域的理 想材料 静电屏蔽功能 由于电子设备外壳可消除外部静电对设备的干扰 保证电 子设备正常工作 碳纳米管 聚合物导电复合材料的制备方法一般有溶液 熔融 共混以及原位聚合法 碳纳米管 聚合物基复合材料可应用在洁净生产 车间 保证车间无静电吸 尘现象 因为在洁净生产 过程中 无尘坏境是非常必要的 尤其是电子厂 医疗器械 化妆品 实验室等 例如 数码相机生产及维修过程中 要保证 镜头无尘粘上就必须要在无尘坏境中工作 用碳纳米管 聚合物基复合材料生产的静电鞋通常也叫防静电鞋 防静电工 作鞋 是电子半导体器件 电子计算机 电子通讯设备和集成电路 医药行业 等工业的生产无尘车间和高级试验室 研发中心 为减少及消除静电危害而穿 着的一种工作鞋 1 3 PBT 塑料塑料 1 3 1 PBT 塑料简介塑料简介 聚对苯二甲酸丁二醇酯 英文名 polybutylene terephthalate 简称 PBT 一 种结晶性热塑型聚酯 白色 无味 无臭 无毒 相对密度 1 31 1 32 玻璃 化温度 45 48 oC 热变形温度 58 66 oC 1 82MPa 流动温度 225 oC 使用温度 120 oC 维卡软化点 177 oC 耐化学药品性及耐油性优良 在二氯乙烷 醋酸 乙酯中溶胀 不溶于四氯化碳 具有很好抗冲击性能 电性能优良 由对苯甲 酸二甲酯与 1 4 丁二醇进行酯交换 缩聚制得 1 3 2 PBT 塑料特性塑料特性 PBT 具有高耐热性 韧性 耐疲劳性 自润滑 低摩擦系数 耐候性 吸 水率低 仅为 0 1 在潮湿环境中仍保持各种物性 电绝缘性 但体积电阻 介电损耗大 耐热水 碱类 酸类 油类 但易受卤化烃侵蚀 耐水解性差 低温下可迅速结晶 成型性良好 缺点是缺口冲击强度低 成型收缩率大 故大部分采用玻璃纤维增强或无机填充改性 其拉伸强度 弯曲强度可提高一 倍以上 热变形温度也大幅提高 可以在 140 oC 下长期工作 玻纤增强后制品 纵 横向收缩率不一致 易使制品发生翘曲 PBT 结晶速度快 最适宜加工方法为注塑 其他方法还有挤出 吹塑 涂 覆和各种二次加工成型 成型前需预干燥 水分含量要降至 0 02 增强 改性 PBT 主要用于汽车 电子电器 工业机械和聚合物合金 共混 工业 如作为汽车中的分配器 车体部件 点火器线圈骨架 绝缘盖 排气系 统零部件 摩托车点火器 电子电器工业中如电视机的偏转线圈 显象管和电 位器支架 伴音输出变压器骨架 适配器骨架 开关接插件 电风扇 电冰箱 洗衣机电机端盖 轴套 另外还有运输机械零件 缝纫机和纺织机械零件 钟 表外壳 镜筒 电熨斗罩 水银灯罩 烘烤炉部件 电动工具零件 屏蔽套等 1 4 本课题研究意义本课题研究意义 碳纳米管作为聚合物的添加剂 可以在加入量少的情况下提高聚合物材料 的机械性能和抗静电性能已经得到了科学界和工程界的普遍承认 已经有不少 的碳纳米管聚合物复合材料进入到了工程应用阶段 目前市场上已经有碳纳米 管复合材料的销售 熔融混炼加工工艺是生产聚合物的主要生产工艺 但是进 行这种加工碳纳米管复合材料的工艺的研究还是比较少 所以进行这方面的工 艺研究对提高碳纳米管在聚合物成型中的应用很有必要 2 实验方法实验方法 2 1 实验原料实验原料 PBT 420 母粒 由美国GE生产 注塑级 南昌市利宏化工有限公司提供 多壁碳纳米管 MWNTs CVD方法合成 直径10 30nm 长度1 10 m 纯度大 于90 由南昌太阳纳米公司生产 2 2 实验设备和仪器实验设备和仪器 HL 200型混炼机 吉林大学科教仪器厂 HC TP11 1型架盘药物天平 上海精科 101 2型电热干燥箱 上海意丰电炉有限公司 ZC25B 4型兆欧表 中国 红旗仪表有限公司 PC 180型强力塑料碎料机 BIM宝德国际机械 单螺杆挤出机 武汉怡扬塑料机械厂 自制塑料板材模压成型成机 南昌大学机电学院纳米技术实验室 SL 030型表面电阻计 德国King Glory Technology公司 H 600 Htach型透射电子显微镜 TEM 日本日立公司 QUANTA 200 型环境扫描电子显微镜 ESEM 美国 FEI 公司 XRW 300型热变形及维卡软化温度测定仪 吉林大学科教仪器厂 2 3 复合材料的制备复合材料的制备 2 3 1 混炼过程混炼过程 HL 200 型混炼机 图 1 的技术参数 一次最大混炼量为 100g 加热温度范 围为室温至 350 oC 转子速度为 11 110 r min 加热功率为 1kW 驱动功率 为交流 220V 50Hz 1 5kW 工作环境为室温至 50 oC 相对湿度不超过 85 周围环境无腐蚀性气体 试验不同的混炼温度 混炼转速和混炼时间对复合料的影响 试验操作如 下 将 PBT 母粒和 MWNTs 置于电热干燥箱中在 120 oC 下干燥 12 小时 按照 MWNTs 的不同质量分数称量 MWNTs 与 PBT 并混合均匀 将干燥的混合料 加入预热好的混炼机中 使 MWNTs 充分分散于 PBT 当中 混炼完毕后取料 在 取料过程中抽取一部分薄膜状试样留作透射电镜分析用 图图1 HL 200 型混炼机构造图型混炼机构造图 Fig 1 HL 200 type mixing machine structural 2 3 2 挤出成型挤出成型 图图 2 单螺杆挤出机单螺杆挤出机 Fig 2 Single screw extruder 将混炼后的料在 PC 180 型强力塑料碎料机中粉碎 用单螺杆挤出机 图 2 挤出 根据资料 13 及在不同温度和挤出速度下多次实验 并用 SL 030 型表面 电阻计测定挤出制品的表面电阻率 根据实验数据调整挤出机的工艺参数 挤 出机的参数最终设置为 一段温度 240oC 二段温度 250 oC 模头温度 220 oC 转速 5 r min 2 3 3 模压成型模压成型 将混炼后的料在塑料碎料机中粉碎 然后使用自制塑料板材模压成型机在 240 oC 下成型 冷却成型后取出 并制作成热变形及维卡软化温度测试试样 图图 3 南昌大学纳米技术实验室自制塑料板材模压成型成机南昌大学纳米技术实验室自制塑料板材模压成型成机 Fig 3 A plastic sheet molding machines made by Nanotechnology Laboratory of Nanchang University 2 4 试样性能表征试样性能表征 用 SL 030 型表面电阻计测表面电阻率 评定复合材料的导电及防静电性能 随 MWNTs 的加入量的变化关系 并分析试样在高混炼转速和低混炼转速下的 导电性能变化 用透射电镜和扫描电镜观察 MWNTs 在 PBT 基体中的分布状态 分析复合材料的导电性能变化的原因 测定复合材料的热变形及维卡软化温度 分析 PBT 塑料混炼改性前后试样的耐热性能的变化 3 结果与讨论结果与讨论 3 1 导电及防静电性能导电及防静电性能 静电防护材料通常以其电阻率作为类别划分标志 分为静电导体材料和静 电耗散材料 14 静电导体材料指其表面或物体内部导电的材料 一般将表面电阻率小于或 等于 1 105 m2的静电防护材料划归静电导体材料类 其中 又将表面电阻 率小于 1 104 m2的材料定义为静电屏蔽材料 即静电屏蔽材料属于静电导 体材料的一部分 静电耗散材料指能快速耗散其表面或物体内部静电荷的材料 表面电阻率 大于 1 105 m2但小于或等于 1 1012 m2的静电防护材料为静电耗散材 料 绝缘材料是指那些其电阻率超过静电耗散材料的上限的材料 具有表面电 阻率大于 1 1012 m2的材料属于绝缘材料 3 1 1 表面电阻率随表面电阻率随 MWNTs 加入量的变化加入量的变化 在 PBT 塑料中加入不等量的 MWNTs 时 对 MWNTs PBT 混合料进行熔融 混炼 混炼后得出的混合料用 ZC25B 4 型兆欧表测定体积电阻得大部分混合料 不导电而少数具有良好的导电性能 但是把这些料打碎都经过挤出成型后用 SL 030 型表面电阻计测表面电阻率得图 4 MWNTs 含量 wt 与表面电阻率 Rs in2 的关系 图图 4 MWNTs 含量含量 wt 与表面电阻率与表面电阻率 Rs in2 的关系的关系 Fig 4 the relationship between MWNTs content wt and surface resistivity Rs in2 图4是根据实验结果作出的MWNTs PBT复合材料的表面电阻率与MWNT含 量的关系图 从中可以看出 当MWNTs的含量增加时MWNTs PBT复合材料试样 的表面电阻率呈S型下降趋势 在一定的范围内 随着复合材料中碳纳米管用量 的增加 复合材料的表面电阻率呈急剧下降的趋势 但超出一定的范围后表面 电阻率下降不明显 分析图表可得出MWNTs含量6 时为MWNTs PBT复合材料 挤出制品的导电阈值 添加7 的MWNTs时MWNTs PBT复合材料的表面电阻率107 109 in2 达 到了良好的防静电材料的要求 故在制备MWNTs PBT复合防静电材料时应添 加7 的MWNTs 3 1 2 表面电阻率随混炼转速的变化表面电阻率随混炼转速的变化 经过对 7 MWNTs PBT 混合料进行不同混炼转速的实验得图 5 混炼转速与 表面电阻率的关系 图图 5 混炼转速混炼转速 r min 与表面电阻率与表面电阻率 Rs in2 的关系的关系 Fig 5 the relationship between mixing speed r min and surface resistivity Rs in2 图 5 是根据实验结果作出的 MWNTs PBT 复合材料的表面电阻率 Rs 与混 炼转速的关系图 从图中我们可以明显的观察到 随着混炼转速的提高 复合 材料的表面电阻率增大 导电性能逐渐下降 经过多次实验验证混炼转速下降 到小于 20r min 时 MWNTs 与 PBT 塑料母粒混合及其不均匀 因此以 20r min 为最佳混炼转速 一方面保证物料混炼均匀 另一方面保证混炼后 MWNTs PBT 复合材料导电性能良好 3 2 透射电子显微镜观察透射电子显微镜观察 图 6 中 a 和 b 是 6 的 MWNTs PBT 复合材料的 TEM 照片 从图中可以 看到 MWNTs 稀疏分散于复合材料薄膜中 但彼此之间相对独立 相互缠绕连接成 网状结构的很少 因此导电通道没有形成 材料的表面电阻率高 图 c 和 d 是 7 的 MWNTs PBT 复合材料的 TEM 照片 从图中可以看到 MWNTs 之间相互缠绕 桥连形成了很好的网状结构 导电通道已经形成 因此复合材料的表面电阻率下降 复 合材料的导电性能显著 通过TEM的分析结果可以得出 只有当MWNTs含量达到一定量时 MWNTs 才能在PBT中分布得比较均匀 形成导电网络 使材料具备防静电性能 通过透射 电镜观察 不论是MWNTs含量6 还是在7 MWNTs都有不同程度的团聚现象 MWNTs并不是完全理想的均匀分布在PBT中 这是由于碳纳米管具有很大的长 径比和很高的表面能 MWNTs的分散效果还有待于进一步提高 若提高MWNTs 分散性能 复合材料的导电阈值能进一步下降 a 6 MWNTs PBT 放大倍数放大倍数 40000 b 6 MWNTs PBT 放大倍数放大倍数 35000 c 7 MWNTs PBT 放大倍数放大倍数 30000 d 7 MWNTs PBT 放大倍数放大倍数 40000 图图 6 透射电镜 透射电镜 TEM 观察 观察 6 7 MWNTs PBT 复合材料的复合材料的 TEM 照片照片 Fig 6 Transmission electron microscopy TEM observation of 6 7 MWNTs PBT composite TEM photos 3 3 扫描电子显微镜观察扫描电子显微镜观察 图 7 中 a 是混炼转速为 20r min 时 7 的 MWNTs PBT 复合材料的断面中心 的 SEM 照片 从图中可以看到 MWNTs 稀疏分散于复合材料中 MWNTs 的方 向分布杂乱 既有径向又有横向排列 图 b 是混炼转速为 20r min 时 7 的 MWNTs PBT 复合材料的断面边缘的 SEM 照片 从图中可以看到 MWNTs 均匀 密集地分散于复合材料中 而且几乎都是沿径向排列 图 c 和 d 是混炼转速 为 30r min 时 7 的 MWNTs PBT 复合材料的 SEM 照片 从图中可以看到 MWNTs 稀疏分散于复合材料中 可能是 MWNTs 径向和横向分布杂乱而在 SEM 下很难观察到 a b c d 图图 7 扫描电镜 扫描电镜 SEM 观察在混炼转速为 观察在混炼转速为 20r min a b 30 r min c d 时时 7 MWNTs PBT 复合材料挤出制品的断面复合材料挤出制品的断面 SEM 照片照片 Fig 7 Scanning electron microscopy SEM observation of when the mixing speed is 20r min a b and 30 r min c d the 7 MWNTs PBT composite extrusion products cross section SEM photos 通过SEM的分析结果可以得出 在混炼转速在一定范围内 转速越高 复合材 料中MWNTs受到的剪切力越大其长度越短 挤出成型时越难在聚合物基中形成 定向排列 使材料导电能力得不到提高 因此 低的混炼转速下 MWNTs长度 得到保持 在聚合物基中更易形成导电网络 使高分子材料达到防静电及导电 性能的要求 3 4 热变形及维卡软化温度测定热变形及维卡软化温度测定 未改性的 PBT 塑料热变形温度 58 66 oC 1 82MPa 维卡软化点 177 oC 用 7 MWNTs 改性后其热变形温度 60 69 oC 1 82MPa 维卡软化点 182 oC 实验表明 PBT 塑料在 7 MWNTs 改性前后其耐热性提高 3 5 混炼工艺优化混炼工艺优化 表表 1 MWNTs 含量含量 wt 与表面电阻率与表面电阻率 Rs in2 的关系的关系 Table 1 the relationship between MWNTs content wt and surface resistivity Rs in2 MWNTs 含量 wt 3456789 表面电阻率 in2 1012 1012 1012109 1010107 109107 109107 108 表表 2 混炼转速混炼转速 r min 与表面电阻率与表面电阻率 Rs in2 的关系的关系 Table 2 the relationship between mixing speed r min and surface resistivity Rs in2 混炼转速 r min20304080 表面电阻率 in2107 109108 10101010 1011 1011 比较表 1 和表 2 的数据可以得出 若要使得 MWNTs PBT 复合材料挤出成 型制品达到防静电性能则 MWNTs 含量应达到 7 以上 且混炼转速要在 10 40r min 之间 a b 图图 8 MWNTs 和和 7 MWNTs PBT 复合材料的复合材料的 TEM 照片照片 Fig 8 MWNTs and 7 MWNTs PBT composite TEM photos 图 8 中 a 为的 MWNTs 的 TEM 照片 b 为 7 MWNTs PBT 复合材 料的 TEM 照片 比较图 a 和 b 纯净的 MWNTs 长度约在 3 10 m 而经 过混炼的 MWNTs PBT 复合材料中的 MWNTs 长度大部分为 0 5 2 m 说明 MWNTs 在混炼过程当中被打断 被打断的 MWNTs 在一定加入量的情况下不 容易在聚合物基体中形成导电网络 从而合理地解释了上述试验中混炼转速的 增大导致复合材料的导电性能下降的结果 以均一性及分散度来表征 MWNTs 的分散状况 均一性是指分散相浓度起 伏大小 分散度是指分散相的破碎情况 15 随着混炼转速的增大 一方面 MWNTs 被剪的越碎 提高了分散度 另一方面 MWNTs 在聚合物基体中分散 的更均 匀提高了均一性 在此我们希望分散度低 混炼转速低 而均一性高 混炼转速高 故混炼转速在某一范围内可达到最优值 综合 PBT 的熔点 参考文献 混炼仪器以及上述实验结果 本论文对 MWNTs PBT 防静电复合材料的熔融混炼工艺进行了优化 优化结果为 混炼 温度 230oC 混炼转速 20r min 混炼时间 10min 4 结论结论 1 在MWNTs一定加入量范围的条件下 随着MWNTs用量的增加MWNTs PBT 复合材料的表面电阻率呈急剧下降的趋势 但超出一定的范围后表面电阻 率下降不明显 加入量为6 时为MWNTs PBT复合材料挤出制品的导电阈 值 2 随着混炼转速的提高复合材料的表面电阻率增大导电性能逐渐下降 3 通过TEM和SEM的分析结果可以得出 只有当MWNTs含量达到一定量 时 MWNTs才能在PBT中分布得比较均匀 形成导电网络 使材料具备防静电 性能 4 低的混炼转速使MWNTs长度得到保持 在聚合物基中更易形成导电网络 使高分子材料达到防静电及导电性能的要求 5 PBT塑料在7 MWNTs改性前后其耐热性提高 附录一 基于XRW 300 型热变形及维卡软化温度测定仪的实验开发 聚合物热变形及维卡软化温度的测定聚合物热变形及维卡软化温度的测定 一 一 实验目的实验目的 1 理解热变形温度和维卡软化温度的概念及意义 2 掌握 XRW 300 型热变形及维卡软化温度测定仪的使用方法 3 通过实验测定聚合物热变形温度及维卡软化温度 二 二 实验原理实验原理 热变形温度 Heat deflection temperature HDT 是将塑料材料放于液体 传热介质中 等速升温条件和在简支梁式静弯曲负荷作用下 试样弯曲变形 达到规定值时的温度 表示塑料材料在高温且受压力下 能否保持不变的外 形 一般以热变形温度来表示塑料的短期耐热性 维卡软化温度 Vicat Softening Temperature VST 是将热塑性塑料放 于液体传热介质中 在一定的负荷和一定的等速升温条件下 试样被1mm2 的压针头压入 1mm时的温度 维卡软化温度是评价材料耐热性能 反映制品 在受热条件下物理力学性能的指标之一 材料的维卡软化温度虽不能直接用 于评价材料的实际使用温度 但可以用来指导材料的质量控制 维卡软化温 度越高 表明材料受热时的尺寸稳定性越好 热变形越小 即耐热变形能力 越好 刚性越大 模量越高 三 三 实验仪器实验仪器 1 XRW 300 型热变形及维卡软化温度测定仪实验原理图 2 XRW 300 型热变形及维卡软化温度测定仪主要技术指标 温度控制室温 300oC 升温速率A 速 120 oC h 12 1 oC 6min B 速 50 oC h 5 0 5oC 6min 位移测量0 5 0 1mm 加热功率3Kw 最大 冷却方式水冷或自然冷却 试样架数量 3 使用试样长度 120mm 热变形支点距离 100mm 压头热变形 压头接触半径 3mm 维卡 压头面积 1mm2 电源交流 220 20A 3 仪器附件 传热液体 甲基硅油 加热范围室温 300oC 位移指示器 数显百分表 精度可达 0 02mm 砝码和温度计 四 四 试样与测试条件试样与测试条件 1 热变形温度测定 热变形温度测定 试样 长度 a 120mm 高度 h 15mm 宽度 b 3 13mm 取板材原厚度 试样表面平整光滑 无气泡 无锯齿痕迹 凹痕或飞边等缺陷 每组试样为 2 试样预处理可按产品标准规定 测试条件 保持持续升温速度为 50 oC h 或 120 oC h 使试样产生所要求 的最大弯曲正应力为 1 800Mpa 或 0 450Mpa 按照试样高度规定形变量大小如 附录 1 2 维卡软化温度测定 维卡软化温度测定 试样 厚度为 3 6mm 宽和长至少为 10 10mm 或直径大于 10mm 试样 支撑面和侧面应平行 表面平整光滑 无气泡 无锯齿痕迹 凹痕或飞边等缺 陷 每组试样为 2 试样预处理可按产品标准规定 测试条件 保持持续升温速度为 50oC h 或 120 oC h 穿透针必须垂直地压 入试样 压入载荷为 1000g 或 5000g 他是砝码和加力杆及压头重量的总和 试 样被 1mm2的压针头压入 1mm 五 五 实验步骤实验步骤 一 热变形温度测定 一 热变形温度测定 1 测量试样中点附近处得高度 h 和宽度 b 精确至 0 05mm 并按下述公 式计算砝码重量 M kg 试验力 N 2 b h2 3 L 式中 M 砝码质量 kg 试样最大弯曲正应力 Mpa b 试样的宽度 mm h 试样的高度 mm L 两支座中心间距离 mm 计算砝码质量 M kg 试验力 N 9 80665 注 压缩数显百分表消耗的力已在压头 托盘和压杆中给予补偿 2 把试样对称地放在试样支座上 高度为 15mm 的一面垂直放置 3 调整铂电阻 使其探测头在试样两支座中点附近 与试样相距在 3mm 以内 但不应触及试样 然后紧锁铂电阻 保证油箱内的起始温度与室温相同 4 把装好试样的样品架小心浸入油槽内 置入卡槽平稳放好 这时试样应位液 面 45mm 以下 加砝码 使试样产生所要求的最大弯曲正应力为 1 800Mpa 或 0 450Mpa 开始搅拌 5min 后对数显百分表调零 5 按 50 oC h 或 120 oC h 的速率等速升温 6 当试样中点弯曲变形量达到 0 21mm 时 仪器自动记录下此温度 此温度即 为该试样在相应最大弯曲正应力条件下的热变形温度 7 材料的热变形温度以两个试样的算术平均值表示 二 维卡软化温度测定 二 维卡软化温度测定 1 把样品放入样品架 其中心位置约在压头针之下 距试样边缘大于 3mm 2 调整铂电阻 使其探测头与试样相距在 3mm 以内 但不应触及试样 然后 紧锁铂电阻 3 将样品架小心浸入油槽内 置入卡槽平稳放好 这时试样应位液面 45mm 以 下 起始温度至少低于维卡软化温度 50 oC 4 加砝码 使试样承受 1000g 或 1500g 负载 开始搅拌 5min 后对数显百分 表调零 5 按 50 oC h 或 120 oC h 的速率等速升温 6 当试样被 1mm2的压针头压入 1mm 时 仪器会自动记录下此时的温度 此 温度即为试样的维卡软化温度 7 材料的维卡软化温度以两个试样的算术平均值表示 如果同组试样测量结果 大于 2 oC 时 必须重做 六 六 数据处理及实验结果数据处理及实验结果 1 将实验记录在下表中 试样尺寸 mm 试样编号 长度 a宽度 b高度 h 升温速度 oC h 载荷 结果 oC HDT 1 HDT 2 VST 1 VST 2 2 结果分析 七 七 思考题思考题 1 提高升温速率对测定温度有何影响 2 影响热变形温度和影响维卡软化温度测试结果的因素有哪些 附表 1 试样高度变化时相形变量的变化表 10 7 10 90 3012 8 13 20 25试样高度 h mm 相对变形量 mm 11 0 11 40 2913 3 13 70 24 9 8 9 90 3311 5 11 90 2813 8 14 10 23 10 0 10 30 3212 0 12 30 2714 2 14 60 22 10 4 10 60 3112 4 12 70 2614 7 15 00 21 附表 2 砝码 压头 压杆及托盘的质量表 名称质量 g 名称质量 g 名称质量 g 砝 码 A786 5砝 码 D146 5圆角压头56 砝 码 B2600砝 码 E300压 杆97 砝 码 C1400针形压头56托 盘138 附表 3 XRW 300 型砝码选配表 试验方法组 合试验力 N 压头 压杆 托盘 砝码 A 维卡 压头 压杆 托盘 砝码 A 砝码 B 砝码 C 试样尺寸 b 13 mm h 15 mm 1 85 Mpa 压头 压杆 托盘 砝码 A 砝码 B 压头 压杆 托盘 压头 压杆 托盘 砝码 D 热变形 压