课程名称：高分子材料设计与实践指导老师：成绩：__________________
实验名称：聚丙烯材料的透明改性实验类型：
一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
一、实验目的和要求
1、了解聚丙烯结晶的成核机理；
2、理解双螺杆挤出机和注塑机的基本工作原理，并掌握其操作方法。

3、了解高分子共混改性的制备过程。

4、了解加工工艺条件对聚合物材料结构性能的影响。

二、实验原理
聚丙烯作为一种结晶性高聚物，其晶核的生成既可以均相成核，也可以异相成核。

均相成核是高分子链本身聚集体的取向，通过熔体的热涨落导致高分子链段的局部有序不断形成与消失，当有序区尺寸超过临界尺寸时才能形成晶核，而这类晶核在较高温度下易被分子链的热运动所破坏，故只有在较低温度下才能保持。

异相成核是分子链依附于体系内的不纯物进行有序排列，可在较高的温度下成核结晶。

无论是均相成核还是异相成核，在熔体状态时，聚丙烯的结晶速度较慢，易形成大球晶。

这些球晶具备光散射的两个条件：尺寸大于光的波长，与非景区的折光指数差异较大。

要提高聚丙烯的透明性需降低光散射，即提高聚丙烯晶型的均匀性并缩小球晶的尺寸。

根据聚丙烯结晶的成核机理，可以采用以下几类方法来控制聚丙烯的形态结构，达到降低结晶度、控制结晶质量、降低光散射作用等目的，以实现聚丙烯的透明改性。

1.加工工艺控制改性
2.直接聚合
3.共混透明改性
4.添加透明成核剂
三、仪器与试剂
仪器：双螺杆挤出机水槽吹风机切粒机电子天平压片机差示扫描量热仪（DSC）差热分析仪（DTA）热台显微镜拉伸试验机透光率雾度测试仪（WGT-S 申光）
试剂：聚丙烯（PP）聚乙烯（PE）乙烯丙烯共聚物（EPM）成核剂抗氧化剂
四、操作方法和实验步骤
操作方法：设计配方，选择合适的聚合物共混或添加合适的透明成核剂，采用双螺杆挤出机制备聚丙烯粒料，并通过模压成型，测试材料的透光性能和拉伸性能，以考察配方对聚丙烯材料透明性及力学性能的影
响。

实验步骤
1、配方：按照表4-1所示配方，在天平上准确称量粒料、成核剂和抗氧化剂，并放置于不同的塑料袋中，
混合均匀待用。

表4-1
2、挤出造粒：先设定料筒的各段加热温度（其中从加料口到机头温度逐渐增加），开启挤出机，将混合
好的原料倒入料斗，待有熔体通过口模挤出时，将挤出物通过冷却装置、牵引装置和切料装置，得到所需的透明的PP粒料。

注：不同组分的原料进行挤出造粒，需要用纯PP粒料进行清洗，将制得不同组分的粒料分开密封保存，并贴上标签。

3、模压成型：将透明的PP粒料铺满哑铃型模具上，盖上铁板，将模具连同铁板放于压片机内，预热4min，
模压2min，放气，转移至冷压片机内，冷压5min，取下哑铃样条。

重复上述操作，使用平板，制备薄膜。

注：不同组分制得的样条和薄膜，分开保存，并贴上标签。

4、结晶性能测试：用剪刀剪下合适大小的薄膜放入热台显微镜的样品台上，设置温度程序，以100℃/min
的速率升温至190℃并保持15min，在以5℃/min的速度降温至135℃，保持30min。

运行程序，降温结束后，观察聚丙烯的结晶，录像并保存。

5、透光性能测试：启动透光率雾度测试仪，用中空磁体将薄膜固定在样品窗内，测试仪自动读取该位置
的透光率和雾度，取不同位置，重复测定三次，重复上述操作，测试不同配方的薄膜，记录实验数据，如表4-2所示。

表4-2
6、力学性能测试：设置电子拉力机的拉伸速率为50mm/min，标距为25mm，将制得的哑铃型压条分别夹
于夹子两端，开启拉伸装置，拉力机自动测试模量和应力，记录实验数据。

7、热性能测试：根据图4-1所示条件，使用DSC对不同配方的造粒进行热性能测试，记录两组实验数据。

图4-1
五、实验结果与分析
1、力学性能分析
组1 空白对照
组2 成核剂0.4%
组3 成核剂0.8%
组5 PP:PE:EPM 80:20:5
组6 PP:PE:EPM 90:10:5
由组1和组2实验数据可知，加入成核剂使得改性后的聚丙烯的模量得到提高，断裂伸长率得到降低，进而使其力学强度得以提高；由组2，组3和组4实验数据可知，随着成核剂加入量的增加，模量和断裂伸长率变化呈现先大幅度改变，后趋于稳定，可以看出成核剂的加入对聚丙烯的改性效果是非常明显的，但加入量超过临界值时，改性效果趋于饱和。

由组1和组6实验数据可知，通过聚合物共混的方法，使改性后的聚丙烯模量和断裂伸长率都得到的降低；由组5和组6实验数据可知，随着共混物中PP加入的减少，使改性后的聚丙烯模量和断裂伸长率都得到的降低，且结合组1来看，两者降低幅度不大，可以看出通过聚合物共混的方法使聚丙烯的力学强度得到小幅度的降低，改性效果并不明显。

2、透光性能测试
由组1和组2实验数据可知，加入成核剂使得聚丙烯的透光性降低；由组2，组3和组4实验数据可知，随着成核剂加入量的增加，聚丙烯的透光性得到提高，且组4（成核剂加入量为1.2%）的透光性能优于组1（空白对照组）。

出现以上实验结果可能的原因是组1中的聚丙烯因均相成核（成核机会小）未能使其充分结晶，而组2中加入了成核剂，原有的均相成核变为异相成核，使其发生了充分结晶，具体表现为组2的透光性能小于组1，随着成核剂加入量的增加，使聚丙烯的结晶构造进一步细微化，透光性能更好，因此组4的透光性能优于组1。

由组1，组5和组6实验数据可知，通过聚合物共混的方法，使得聚丙烯的结晶度下降，因此组5和组6的透光性能均优于组1，且组6的透光性能更佳。

不难看出，通过聚合物共混改性的方法来提高聚丙烯的透光性能见效更快，但添加透明成核剂有更好的改性效果。

3、结晶性能测试
图1 空白图2 成核剂0.4%
图3 成核剂0.8% 图4 成核剂1.2%
图5 PP:PE:EPM 90:10:5 图6 PP:PE:EPM 80:20:5由图1和图2所示可知，成核剂的加入使得PP球晶数目变少，球晶变小；由图2，图3和图4所示可知，随着成核剂加入量的增加，PP球晶数目和大小先有较大的变化，后趋于稳定，与力学性能测试的结果相同，说明聚丙烯的结晶性能影响其力学性能。

由图1，图5和图6所示可知，通过聚合物共混的方法对球晶大小影响较大，而对球晶数目影响较小，此外对比图5和图6不难看出，随着共混物中的PP含量减少，球晶大小变得更小，其结果与透光性能测试结果相同，PP:PE:EPM=80:20:5具有更好的透光性。

由6幅图所示可知，添加透明成核剂相比聚合物共混法对PP球晶数目和大小影响更大，通过添加成
核剂可制备更小、更均匀的PP 小球晶，因此添加透明成核剂对聚丙烯透明性改善更佳，其结果与透光性能测试结果相同。

4、 热性能分析
等温条件下
d T /d t
T
d H /d t
T
图1成核剂 0.4% 图2 成核剂
0.8%
B
A
d T /d t
T
图3 成核剂 1.2% 图4 空白
d H /d t
T
d H /d t
T
图5 PP:PE:EPM 90:10:5
图6 PP:PE:EPM 80:20:5
由图1，图2，图3和图4所示，空白对照和不同量的成核剂改性聚丙烯熔融温度（Tm ）和重结晶温度（Tc ）均为165℃和130℃，出现该现象的原因成核剂对结晶的大小和数目影响较大，对结晶度影响较小，使得这4组的Tm 和Tc 相同。

由图4，图5和图6所示，两种共混物中的PP 和PE 熔融温度Tm 分别为165℃和109℃，但是PP:PE:EPM=90:10:5共混物的Tc 为109℃，PP:PE:EPM=80:20:5共混物的Tc 为107.5℃，由此可以看出PP:PE:EPM=80:20:5共混物的结晶性能低于PP:PE:EPM=90:10:5，因此PP:PE:EPM=90:10:5具有更好的力学性能，其结果与力学性能测试结果相同，但其透光性能稍逊于PP:PE:EPM=80:20:5，该结果也符合透光性能测试的结果。

非等温条件下
d T /d t
T
d T /d t
T
成核剂 0.4% 成核剂 0.8%
d T /d t
T
d T /d t
T
成核剂 1.2% 空白
d T /d t
T
d T /d t
T
PP:PE:EPM 90:10:5 PP:PE:EPM 80:20:5
非等温条件下的测试结果与等温条件相比，除了测不到重结晶温度Tc之外，共混物中的PE的熔融温度Tm值低于等温条件下5℃左右，可能因为测试条件的改变，使得该值出现了偏差。

六、讨论
通过实验结果我们发现，聚合物共混法和添加成核剂均能实现聚丙烯的透明改性，而通过聚合物共混法来提高聚丙烯的透光性能见效更快，但添加透明成核剂具有更好的改性效果。

此外添加成核剂使得聚丙烯的力学强度得以快速提高，而聚合物共混法使聚丙烯的力学强度得到小幅度的降低，改性效果并不明显。