纳米改性凹土棒对聚对苯二甲酸丁二酯结晶行为和性能的影响

邵禹通，沈晓洁，卢 军

（南京聚隆科技股份有限公司，江苏 南京 210032）

聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）具有良好的加工性、耐化学药品腐蚀性和绝缘性能，在电子电器、汽车工业和通讯设备等领域广泛使用［1-3］。PBT的力学性能和加工性能受结晶性能影响较大，改善其结晶行为对聚合物的成型加工意义重大［4］。成核剂能够改变部分结晶行为，提高制品透明度、刚性、表面光泽度和负荷变形温度，缩短制品成型周期，提高制品加工和应用性能［4-5］。本工作采用纳米改性凹土棒作为成核剂，研究其对PBT结晶行为和性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

PBT 1100-211M，市售；纳米改性凹土棒M1500，长径比为30～50，中值粒径为5 μm，江苏圣一纳米科技有限公司。

1.2 主要仪器与设备

CTE-40型同向双螺杆挤出机，长径比为42∶1，南京科亚-科倍隆机械有限公司；EM150型注塑机，香港震雄工业有限公司；ZBC1400-1型悬臂梁冲击试验机，深圳新三思材料检测有限公司；ETM501B型万能电子试验机，深圳万测实验设备有限公司；DSC 200 F3型差示扫描量热仪，德国耐驰仪器制造有限公司；40-197-100型维卡热变形测试仪，德国Coesfeld公司；TGA 5500型热失重分析仪，美国TA仪器公司。

1.3 试样制备

将质量分数分别为0.25%，0.50%，1.00%的纳米改性凹土棒与PBT混合，所得试样记作试样1～试样3，然后通过双螺杆挤出机进行挤出切粒，注塑成标准测试样条。

1.4 测试与表征

弯曲性能按GB/T 9341—2008测试，测试速度2 mm/min。悬臂梁无缺口冲击强度按GB/T 1843—2008测试。负荷变形温度按GB/T 1634.1—2004测试，载荷1.8 MPa。

结晶性能：N2氛围，先以20 ℃/min升至250 ℃，恒温2 min以消除热历史，然后以20 ℃/min从250 ℃降至30 ℃，最后以20 ℃/min从30 ℃升至250 ℃，记录结晶和熔融曲线。

广角X射线衍射（WAXD）分析：采用日本Rigaku公司的D/MAX-RB型X射线衍射仪，铜靶，X射线，电压40 V，电流100 mA，衍射角（2θ）10°～50°，扫描速率4（°）/min。

热重分析：称取10～15 mg试样，N2氛围，温度为30～650 ℃。

2 结果与讨论

2.1 纳米改性凹土棒对PBT结晶性能的影响

从图1可以看出：随着纳米改性凹土棒用量的增加，改性PBT的结晶温度不断升高，当纳米改性凹土棒质量分数为1.00%时，改性PBT（即试样3）的结晶温度（tmc）由纯PBT的194.2 ℃提高到198.1 ℃，提高了3.9 ℃。这说明纳米改性凹土棒的加入使PBT在较高温度条件下就能结晶，缩短了结晶周期，对于PBT的成型加工有很好的应用价值。从图1还可以看出：随着纳米改性凹土棒用量的增加，改性PBT的半结晶时间逐渐缩短，说明纳米改性凹土棒具有成核作用，可以促进PBT的结晶［6-9］

从表1可看出：PBT的结晶度不高，且纳米改性凹土棒的加入对PBT的结晶度几乎没有影响。

结晶聚合物的力学性能与其结晶度和晶体形貌密切相关，从图2可以看出：PBT的衍射峰主要分布在2θ为15°～35°，随着纳米改性凹土棒含量的增加，改性PBT的衍射峰位置并未发生变化，说明纳米改性凹土棒没有改变PBT的晶型［10］；随着纳米改性凹土棒含量增多，结晶衍射峰逐渐变强，半峰宽逐渐变窄，表明其结晶速率越来越快。

2.2 纳米改性凹土棒对PBT力学性能的影响

从图3可以看出：随着纳米改性凹土棒含量的增加，弯曲模量升高，无缺口冲击强度降低。纳米改性凹土棒质量分数为1.00%时，弯曲模量从纯PBT的2900 MPa提高到3130 MPa，无缺口冲击强度从纯PBT的140 kJ/m2降低到97 kJ/m2。在纳米改性凹土棒的成核作用下，分子链排列更加紧密，孔隙率降低，分子间相互作用力增加，链段运动变得困难，从而导致材料弯曲模量提高；同时也是因为分子链运动困难，当受到外力冲击时分子链没有活动的余地，冲击强度降低。

图3 纳米改性凹土棒用量对PBT力学性能的影响Fig.3 Mechanical properties of PBT with different contents of nano-attapulgite

2.3 纳米改性凹土棒用量对PBT热性能的影响

从图4可以看出：随着纳米改性凹土棒含量的增加，PBT的负荷变形温度升高。纳米改性凹土棒质量分数为1.00%时，负荷变形温度由纯PBT的59.3 ℃提高到67.0 ℃，提高了7.7 ℃，大幅改善了PBT的使用温度范围，负荷变形温度的提高，也充分说明纳米改性凹土棒的成核作用，使聚合物结晶更完全，晶体结构更加致密［9］。从图4还可以看出：随着纳米改性凹土棒用量的增加，改性PBT的起始分解温度都朝着低温方向移动，当纳米改性凹土棒质量分数为0.50%以上时，起始分解温度的降低更为明显。起始分解温度的降低，说明纳米改性凹土棒的加入对PBT的热稳定性有负向作用，这是因为纳米改性凹土棒表面为多孔结构，具有吸附性，小分子物质容易残留在其表面，小分子的存在使PBT热稳定性降低，导致起始分解温度降低。

图4 PBT与改性PBT的负荷变形温度和热重曲线Fig.4 Heat deflection temperature and TGA curves of PBT and modified-PBT

3 结论

a）添加纳米改性凹土棒提高了PBT的结晶温度，加快了PBT的结晶速率，并大幅提高了PBT的负荷变形温度。

b）纳米改性凹土棒的加入，提高了PBT的弯曲模量，悬臂梁无缺口冲击强度呈下降趋势。

c）改性PBT的起始分解温度随着纳米改性凹土棒含量的增加逐渐降低。