聚酰胺6薄膜的水热处理及性能研究

发布时间：2020-04-14 01:32

【摘要】：水是世界上最丰富、廉价、安全和环保的液体介质和溶剂。在室温下,水的密度、介电常数和离子积分别为1.0 g/cm~3,79.3和10~(-14),许多化学物质在室温和大气压力下不溶于水。水在温度为100-374℃和压力0.1-22.1 MPa下处于过热状态,当温度374℃和压力22.1 MPa时水处于超临界状态。过热水和超临界水的介电常数、电导率、离子产物、粘度、热容、扩散系数、密度甚至氢键结构与常温水相比有很大的变化,过热水或超临界水可用作溶剂、化学试剂或催化剂等。聚酰胺(PA,又称尼龙)是一种重要合成材料,一些脂肪族的聚酰胺可以溶解于过热水中,说明用过热水作为溶剂来处理加工聚酰胺材料是可行的。聚酰胺6(尼龙6)是生产聚酰胺纤维和塑料的主要品种之一,熔融温度在225℃左右,然而它能够熔融并溶解于温度超过160℃的过热水中;处于溶解状态时,尼龙6会发生水解,随着温度的升高和处理时间的延长,水解作用增强;当温度进一步升高,水进入超临界状态时,尼龙6将分解为单体。我们利用尼龙6与水之间的相互作用特点,对尼龙6薄膜材料(双向拉伸尼龙6薄膜,简称BOPA)进行了100-160℃温度范围的水热处理。通过场发射扫描电镜(FE-SEM)、广角X射线衍射(WAXD)、傅里叶变换红外吸收光谱(FT-IR)、差示扫描量热法(DSC)等表征手段对不同水热条件处理后尼龙6薄膜的表面形貌、熔融和结晶行为进行了研究;另外也对水热处理后尼龙6薄膜的力学性能、气体阻隔性、透光性能等进行了测试,研究了水热处理对尼龙6薄膜性能的影响。研究测试工作得到如下结果:1、在130-160℃温度范围水热处理后,尼龙6薄膜样品表面出现明显的球状、纤维状、网状等具有结晶形态特点的结构;相较其他刻蚀方法,水热溶蚀得到了更加精细的表面结构。2、不同水热条件处理前后尼龙6薄膜样品的晶区均为典型α晶型,水热处理未导致α-PA6的晶型转变。3、在140-160℃温度范围水热处理后内,尼龙6薄膜样品的熔融温度会随着水热处理温度的增加而有明显升高,处理后薄膜内的结晶更加完善。4、水热处理后,薄膜样品初始模量不变,韧性增加,拉伸强度下降;薄膜表面印刷性和复合性能增加;薄膜透光性和氧气阻隔性略有下降。综上所述:过热水是尼龙6材料的一种良好的溶蚀剂,它能够移除或溶解尼龙6材料表面的非晶成分,使尼龙6表面结晶形态充分暴露。一定温度水热处理后,尼龙6薄膜表面结构发生明显变化;薄膜内部结晶完善程度明显提高。受这些变化的影响,薄膜的力学性能、透明性、透氧性和表面复合性等也发生了一定的变化。
【图文】：

晶型结构,氢原子,碳原子,红色

1.2.1 尼龙 6 的结构及结晶行为一般地，高分子的结构包括分子结构和分子链间的排列及堆砌结构，其性能由分子链上的官能团和分子链间的相互作用决定的，同时还会受到分子量及分布和聚集形态等因素影响[19]。聚酰胺 6 的分子链通过 5 个亚甲基(—CH2—)和一个酰胺基(—CONH—)交替相连形成，其结构单元如下：n其中（—CONH—）为极性基团，尼龙 6 分子链排列较规整，分子链间有较强的氢键相互作用，有较高的结晶性，有明显的熔点、玻璃化转变温度和较高的热变形温度，同时也具有较高的强度、硬度、耐磨性、阻隔性和耐化学腐蚀等性能。NH—(CH2)5—CO

尼龙6,晶型,射线衍射,结晶

尼龙 6结晶行为复杂, 晶型和 γ晶型是尼龙 6 最常见的两种晶型，，如图 1.1所示，晶型中分子链为完全伸展的 Z 字形长链，在两个相邻的反平行链间，通过 C=O 和 N-H 形成的氢键相连，晶型是热力学上稳定的结晶形式；和晶型相比，γ 晶型的分子链中的酰胺基团（—CONH—）绕链轴旋转后与原平面形成 60°夹角，尼龙的 γ 晶型是不可运动的，此外尼龙还有 ’晶型和 β 晶型等处于变化和中间状态的晶型[22-24]。尼龙 6 的不同晶型有着不同的形成条件，而且不同晶型之间可以相互转变。尼龙 6 的结晶受温度和升降温速率的差异会形成不同的晶型结构，当尼龙6 从熔体冷却结晶时，较高的结晶温度和较低的冷却速率条件下，有利于晶型的产生；而较低的结晶温度和较高的冷却速率条件下，有利于 γ 晶型的产生[25-27]。Kyotani 和 Mitsuhashi 等人研究发现，当结晶的温度高于 190 °C，延长结晶的时间可以获得单一的晶型；结晶温度低于 130 °C，延长结晶的时间可以得到单一的 γ 晶型；而结晶温度在这两个温度之间时，会得到两种混合的晶型，如图 1.2 所示[28]。（晶型两衍射峰和 γ 晶型单衍射峰的 2θ 值一般在 19-25°）。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O633.22;TB383.2

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