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英文文献翻译
天津科技大学本科生
毕业设计（论文）外文资料翻译
学院：
材料科学与化学工程学院
专业：
高分子材料与工程
姓名：
陈旭娟
学号：
09032122
指导教师（签名）：
2013年4月1日
微晶纤维素填充PET-PTT复合材料的热性能
摘要
聚合物复合材料的制备，是由聚对苯二甲酸乙二醇酯和据对苯二甲栓丙二醇酯为基底材料，使用熔体配合法用不同的微晶纤维素（MCC）的填料含量（0-40％（重量））随后压缩成形。
使用动态机械热分析（DMTA）、差示扫描量热法（DSC）、热差分析（DG）对复合材料进行分析。
DSC结果表明MCC的加入对复合材料的玻璃化转变温度（Tg）、熔点（Tm）、结晶温度没有明显的影响。
随着MCC量的增加，由于MCC的增强作用使复合材料的动态机械性能有所提高。
随着MCC量的增加，从DMTA图上可以看出tanδ峰值没有明显的改变。
TG图表明，随着MCC加入量的增加，热分解温度下降。
还发现，随着MCC量的增加，复合材料的热性能有略微的下降。
关键字
微晶纤维素（MCC），PET/PTT混合物，动态热分析（DMTA）差示扫描
量热法（DSC）
简介
纤维素是世界上十分丰富的、天然的、可再生的、可生物降解的材料，并且能够从很多的的材料中获得。
全球每年有1010到1011吨的纤维素被生产和销毁[1，2]。
在过去的几十年，纤维素复合材料的生产引起了广泛的关注[3—7]。
含有纤维素的复合材料与非有机材料相比有特殊的性能。
纤维素与用无机物质增强的材料相比最主要的优点是可再生性、高强度和高模量（纤维素晶须的弹性模量大约是145GPa，但是玻璃纤维的平均弹性模量只有70GPa）、低密度（纤维素的密度是1.6g/cm3而玻璃纤维的是2.5g/cm3）、低的热导率、可循环性。
除此之外，由于大多数塑料是不能生物降解的，所以处理是一个巨大的挑战。
为找到处理办法，工业和科学研究团体对把塑料材料和天然聚合物（比如，木粉、纤维素和淀粉）产生了很大的兴趣。
[2，6—9]。
在升温的作用下，合成的和天然的聚合物会降解。
因此，加工期的加工温度的作用的信息就极其重要，因为在天然纤维增强以热塑性塑料作为基底的复合材料的过程中会有热压的产生[10]。
关于天然和合成材料的热性能的重要信息可以通过热分析得到，这是以分析实验技术为基础的，来测量复合材料的热行为和界面特性作为特征温度[10—12]。
下面的技术经常被用作热分析。
差示扫描量热法（DSC）常被用来测试熔点（Tm）,玻璃化转变温度（Tg）,结晶温度（Tc），并且它也是世界上最容易和应用最广的热分析技术。
动态力学热分析（DMTA）广泛的被用来作为测量复合材料粘弹性能的重要技术，可以通过检测材料的动态行为（比如，储存模量E’和损耗因子tanδ）来达到目的。
热失重分析（Tg）能被用作测量复合材料的水分含量、热分解温度和热稳定性[11，12]。
由热塑性树脂（聚乙烯和聚苯乙烯）和微晶纤维素（MCC）合成的复合材料已经做出了研究[4,13—15]。
MCC是纯化的，部分解聚的纤维素，通过处理α-纤维素可制取，从含有有机酸的纤维材料中得到含有有机酸的纤维材料中得到并作为纸浆，并且，它在医药、食品、造纸和复合材料的加工中也有广泛的应用[2]。
由于缺少在受到机械和热压力的下，含有MCC的工程热塑性聚合物复合材料的结构部分和行为方面的信息，因此，这种材料的应用受到限制。
芳香族聚酯，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT），是在加工中的高性能工程塑料，并且在纺织业、电子业、自动化工业等很多领域得到了广泛地应用[16—21]。
近几年，很多研究人员对混合物或共聚物产生了极大的兴趣，通过混合和共聚来增加PET的结晶度或者提高PTT的机械性能和热性能[16—21]。
在最近的研究中，PTT被用来降低加工温度和提高PET的结晶度[16]。
梁发现PET和PTT的混合物只有一个共同的玻璃化转变温度，并且所有的组分都有冷结晶峰，这表明PET和PTT混合物在无定型态是互溶的。
共混聚合物的互溶性可由DSC图上的玻璃化转变温度（Tg）来确定。
通常来说，对于不互溶的混合物会有两个或者更多的玻璃化转变温度出现在DSC图上，这表明产生了相分离，然而，对于互溶物或者共聚物在无定型相只能观测到一个玻璃化转变温度[16]。
这项研究的目的在于检测MCC对PET-PTT复合材料热性能的作用，其中含有的MCC量从0%到40%不等。
在最近的研究中，以MCC作为填充的PET-PTT复合材料可通过先热混合再模压法制得。
实验步骤
材料
PET和PTT聚合物颗粒分别是由美国Shell公司和Azom公司提供的。
PET和PTT的密度分别是1.3—1.4和1.35g/cm3，粘流指数分别是0.65和0.92dl/g。
PET和PTT以2：
1的比例混合的选择是以以前的发现为依据的，发现表明，PET-PTT以这个比例混合会比其他的比例表现出更好的机械性能和热性能。
用以提高加工条件的润滑剂（TPW113）是由Struktol公司提供的。
MCC是粉末状的增强剂，粒子尺寸是26—96µm。
粒子平均尺寸是50µm。
MCC是由Sigma-Aldrich公司提供的高结晶纤维。
要在105℃下干燥16小时以获得含水量低于1%的MCC，之后将其贮存在干燥的容器中。
试样的准备
将MCC、PET、PTT在105℃下干燥至含水量少于1%。
将基底聚合物PET-PTT和MCC混合。
在一个带有碗状混合器的brabender预混器将其共混，在过程中测量其加工温度和扭矩改变。
在每一次的运转过程中记录熔融温度和扭矩变化来确定PET-PTT和MCC复合材料的最适宜加工性能。
基本的加工参数在表1中列出。
混合温度设定在270℃，当聚合物表现很好的相容性时，熔融温度下降到230℃。
当混合物的混合循环由每分钟60次上升到70次时，剪切力的增加有助于聚合物熔融。
当聚合物表现出较好的熔融性时，将MCC加入到混合物中。
加入MCC后，熔融温度迅速下降到200℃，随着熔融过程的进行，温度又有所提升。
当温度达到230℃时，熔融混合物会立即从混合物中释放出来。
这些温度变化和MCC的加入次数能作为一个相对稳定的温度范围来避免强烈的热降解，从而保证复合材料的加工性能。
PET-PTT混合物和MCC填充物用一个实验室螺纹磨床将其磨成粒子。
将圆形粒子放于105℃的炉子中加热16小时，然后放入一个钢模中加热至230℃。
模具用2*2的热压板用60吨的力压5分钟，然后在同样的压力下冷却，30分钟后释放模具。
接着在热测试之前放于25℃和50%R.H下48小时。
它的组成情况在表2中显示。
表1PET-PTT的基本加工参数
阶段等级
加工参数
设定温度
熔融温度
循环率
混融温度
反应时间
第一阶段/PET-PTT
270
260
60—70
7
第二阶段/MCC填充
230
200—230
50
低于230的常数
3
表2PET-PTT混合物复合材料的组成
样品编号
组成
MCC含量
PET
PTT
润滑剂
纯净PET/PTT
0
63
32
5
PET/PTT—MCC2.5
2.5
61.5
31
5
PET/PTT—MCC5
5
60
30
5
PET/PTT—MCC10
10
56.5
28.5
5
PET/PTT—MCC20
20
50
25
5
PET/PTT—MCC30
30
43
22
5
PET/PTT—MCC40
40
37
18
5
这些值都是百分含量
热性能
差示扫描量热（DSC）
差示扫描量热分析是通过PerkinElmerInstrumentPyrisDSC测试重量在8—10g的样品得到的。
所有的样品在30℃下5分钟后以20℃/min的速度升温至300℃，然后保持5分钟来去除先前的热历史，接着以20℃/min的速度冷却至30℃,随后保持5分钟，在氮气环境中以20℃/min的速度加热到300℃。
玻璃化转变温度、冷结晶温度、熔融温度都由第二次热扫描决定。
Tg作为玻璃橡胶转变的比热增量反映点可以从第二次热扫描中得到。
Tm值在第二次热加工中可以作为吸热熔融峰的最大值。
至少要从圆形样品中随意挑选三组来测试其组分，结果作为测试样品的平均值。
动态机械热分析（DMTA）
复合材料的粘弹性能可以通过流变科学DMTAIV来测量。
实验在频率为1Hz的等时条件下通过三点弯曲模式来完成。
应变振幅修改至0.01%使其在复合物的线性粘弹畴内。
在立式铣床上，用一个带有凉棚的1.45mm*75mm的、36齿的刀片将其锯成小片。
将样品切成尺寸为42mm*3.2mm*1.8mm的矩形。
以3℃/min的速率将它的温度从50℃扫描至150℃。
把样品的储存模量（E’）、损耗模量（E”）、损耗因子（tanδ）的测量作为特征温度。
每种组分的要测试三个样品，结果作为测试样品的平均值。
热重分析（TG）
热重分析可用梅特勒-托利多分析仪来测量10mg的样品。
每个样品以10℃/min的速度加热到600℃，在20mL/min的氮气流中进行来避免样品氧化。
用于TG测量的5个独立样品是从圆形样品中随意选取的。
结果与讨论
差示扫描量热（DSC）
MCC对热塑性聚合物复合材料的热性能的影响可通过非等温DSC实验来测量。
复合材料的玻璃化转变温度（Tg）、熔融温度（Tm）、结晶温度（Tc）和相应的熔融焓（ΔHm）、结晶焓（ΔHc）都列于表3中。
玻璃化转变温度是判断混合相容性的重要依据。
如果混合物只有一相，那么只有一个玻璃化转变温度，这就可以得出两种不同聚合物是相容的。
如果混合物有两相，那么就有两个明显的玻璃化转变温度，这样可得出聚合物是不相容的[16]。
在图1中可以看出，所有的复合物都只有一个玻璃化转变温度，并且所有聚合物的玻璃化转变温度都在65—70℃之间，并且，随着MCC的增加，复合材料的Tg会有轻微的改变，相容性的另一个证据就是冷结晶[16]。
图2显示，所有的复合物都只有一个125℃—135℃的冷结晶温度，单一的Tg和冷结晶温度表明，PET-PTT混合物和复合材料在无定形相是兼容的。
这表明，基底聚合物和MCC在表面是没有化学键接的。
换句话说，MCC是通过熔融基底聚合物来物理密封和聚合物链的移动来实现物理抑制。
如果在基底聚合物和MCC之间有化学键的界面粘着，那么，和纯净的PET-PTT混合物相比，热塑性复合材料的Tg会有重大的改变[16,17,21]。
PET-PTT混合物和MCC填充的复合材料在仪器精度范围内有相似的热重和稍微不同的熔融温度。
吸热的主峰作为熔融点。
所有复合材料的全部熔融峰可以从图3中观测出。
由于熔融峰和聚合物混合物结晶区的结构有关，两个熔融峰表明，PET和PTT链段都倾向于在各自的结晶相结晶[21]。
由于PET的复合掺杂含量高，因此其有较高的熔融峰。
从表3中可以看出，PET和PTT的熔融温度分别是250℃和225℃，复合材料的熔融温度在244℃和250℃之间。
MCC的加入对熔融温度没有重大的影响。
从这些结果可以看出，基底材料对复合材料的Tg和Tm有重大的影响。
而且，复合材料的熔融温度对材料的加工温度和热性能有重要的作用[11,12]。
图3显示了PET-PTT混合物和复合材料的熔融温度。
图3阐明，MCC的加入没有改变复合材料的结晶温度，或者说最多只有轻微的影响。
但是，在所有情况下，随着MCC量的增加，结晶焓（ΔHc）和熔融焓（ΔHm）最低温度的结果列于表3中。
表3MCC填充PET-PTT复合材料的Tg,Tm,Tc,ΔHm（J/g）和ΔHc总结
样品编号
Tg/℃
Tm/℃
Tc/℃
Hm/J/g
Hc/J/g
纯净PET/PTT
68.1（0.1）
249.2（0.2）
186.6（2.6）
37.1（1.4）
-52.2（2.7）
PET/PTT—MCC2.5
68.4（0.7）
244.9（0.1）
186.3（0.7）
34.9（0.4）
-51.7（1.1）
PET/PTT—MCC5
68.1（1.1）
247.5（0.5）
182.8（0.2）
33.4（0.5）
-49.2（2.5）
PET/PTT—MCC10
68.3（0.7）
248.1（0.9）
183.8（0.9）
31.9（1.1）
-47.8（1.7）
PET/PTT—MCC20
67.2（0.2）
248.6（0.9）
192.3（0.9）
28.9（1.5）
-44.9（1.9）
PET/PTT—MCC30
66.4（0.5）
249.3（1.8）
194.4（1.1）
26.6（1.1）
-41.8（1.6）
PET/PTT—MCC40
67.9（1.4）
249.6（1.1）
195.3（0.4）
21.4（0.5）
-35.7（2.2）
括号内表示标准偏差，ΔHm是由吸热峰的总面积计算得到的
图1由DSC得出的PET-PTT混合物和不同填充量的MCC填充的复合材料的玻璃化转变温度
热流/Mv
温度/℃
图2由DSC得出的PET-PTT混合物和不同填充量的MCC填充的复合材料的冷结晶温度
热流/Mv
温度/℃
图3MCC的量对PET-PTT混合物和的MCC填充的复合材料的冷结晶温度和玻璃化温度的作用
热流/Mv
温度/℃
动态机械热分析（DMTA）
图4显示了PET-PTT混合物和MCC填充复合材料的储存模量和损耗因子的对应温度。
PET-PTT混合物表明了半结晶聚合物的典型行为，可以看到有三个明显的区域：
玻璃区、玻璃化转变区、橡胶区。
在玻璃区（温度低于30℃），储存模量基本不变，35℃左右，模量的下降和PET-PTT混合物无定形相的玻璃转变区有关。
储存模量下降的多少和混合物的高结晶度有略微的联系。
在玻璃区后较高的温度（温度高于30℃），由于粘性的增加和聚合物链的运动，储存模量急剧下降[11,12,22]。
储存模量一直下降到橡胶区。
和其他未填充的复合材料相比，MCC填充的复合材料在所有温度范围内有相似的行为和高的模量。
高模量是复合材料中PET-PTT混合物的高结晶度的结果。
但是，DSC测量表明，PET-PTT混合物的结晶度是由成分独立的30%（重量）的MCC决定的，为了减轻MCC的负载结晶度会有所下降[22]。
我们可以假定复合材料模量的增加应该和MCC的增强作用有关。
对于晶须增强半结晶聚碳酸酯和纳米晶纤维增强环氧树脂也有相似的发现[22,23]。
从图4中也可以看出，由于渗透网络交联作用MCC填充的复合材料有比PET-PTT更好的热稳定性[24]。
图5显示，在室温（25℃）和玻璃化转变（90℃）下,随着MCC含量的增加，复合材料的储存模量会增加，在MCC的含量在40%时，储存模量增加最多。
随着MCC的增加，复合物中的压力收到很大的影响，因此，和PET-PTT聚合物相比，由MCC填充的复合材料模量会增加。
由于纤维素分子、纤维和纤维之间氢键的强烈作用，从而有更高的储存模量[24]。
在图4中可以看出在1Hz的频率下，由MCC填充的PET-PTT复合材料的tanδ所对应的特征温度。
tanδ峰对应温度的变化提供了关于PET-PTT混合物和MCC之间分子反应的信息[24]。
从tanδ曲线可以看出，MCC的加入对聚合物的玻璃化转变温度没有重大的影响。
但是它对tanδ值的大小有重要的影响。
tanδ峰的最大值与玻璃化转变温度有关，随着MCC量的增加，这些值没有明显的改变，这是因为复合材料的粘弹性主要受基底聚合物的影响。
图4表明，tanδ峰没有改变，这表明，聚合物基底和MCC之间没有发生分子间反应。
因此，我们得出加强作用主要是因为纤维交联和纤维颗粒之间的强烈作用[11,12,24]。
纯净的PET-PTT混合物有一个大约95℃的tanδ峰温度，复合材料的tanδ峰值温度在86℃—95℃。
另一方面，纯净的PET-PTT混合物和复合材料之间的差别是次要的，在高温时的差别是主要的。
图4中，由MCC填充的复合材料的tanδ峰值在玻璃化转变温度附近有明显的下降，因为由于MCC的加入使PET-PTT混合物在无定形区的链段运动受阻[11]。
在20℃—30℃左右时，可以观测到复合材料会出现α转变和β松弛。
β松弛有助于聚合物骨干构象重组，它和无定形区有关[25]。
图4在50℃—150℃下，PET-PTT混合物和不同填充量的MCC的复合材料储存模量和损耗因子
储存模量/Pa
填充量/%
图5在室温和玻璃化转变温度下，PET-PTT混合物和不同填充量的MCC的复合材料储存模量和损耗因子
储存模量/Pa
温度/℃
热重分析（TG）
图6中显示了PET-PTT混合物和MCC填充的复合材料的TG和DTG曲线。
PET-PTT混合物和MCC填充的复合材料的降解温度是不同的。
PET-PTT混合物和2.5%MCC填充的复合材料是单级降解，单峰温度是410℃。
然而，高填充量的MCC复合材料有两个降解峰，峰温在340℃—415℃之间。
图7显示了纯净PET-PTT混合物和MCC填充聚合物的热失重10%的温度和热失重50%的温度。
从PET-PTT混合物到MCC的填充量为40%，复合材料的T10和T50值连续下降。
从表4中可以看出，纯净PET-PTT的热失重百分数增加到大约84%，MCC的填充量为20%时复合材料的热失重量到87%。
MCC的填充量超过20%时，复合材料的热失重降低。
这些结果也表明，随着填充物负荷的增加，随着MCC量的增加，复合材料的热稳定性略微降低，这是因为和PET-PTT混合物相比，MCC的热稳定性较差。
复合材料的热失重（%）、峰温、和600℃以后的热失重在表4中给出。
图6PET-PTT混合物和MCC填充的复合材料的TG和DTG曲线
质量损耗/%
填充量/%
图7PET-PTT混合物和MCC填充的复合材料在质量损耗为10%—50%时的温度
温度/℃
填充量/%
表4PET-PTT混合物和MCC填充的复合材料的热失重数据
样品编号
DTG温度/℃
M.L/%
剩余量/%
600℃的M.L
MCC
341.7（1.2）
52.2（0.7）
9.7（0.8）
84.5（0.8）
PET-PTT混合物
410.8（0.2）
33.7（1.1）
15.5（0.8）
84.5（0.8）
PET-PTT
-MCC2.5
410.8（0.2）
37.0（1.7）
15.2（0.7）
85.5（0.7）
第一峰
第二峰
第一峰
第二峰
PET-PTT
-MCC5
369.3（0.5）
410.8（0.2）
6.4（0.4）
39.5（0.2）
14.6（0.2）
85.4（0.2）
PET-PTT
-MCC10
358.4（0.6）
409.8（1.6）
9.3（0.2）
41.0（0.1）
12.7（0.3）
87.3（0.3）
PET-PTT
-MCC20
352.3（2.1）
408.8（2.2）
17.0（2.1）
50.7（2.5）
12.1（0.7）
87.9（0.7）
PET-PTT
-MCC30
353.3（0.5）
410.8（0.0）
20.6（0.5）
52.0（1.2）
12.6（0.1）
87.4（0.1）
PET-PTT
-MCC40
352.5（0.5）
410.8（0.2）
24.1（0.3）
58.3（0.3）
12.8（0.5）
87.2（0.3）
括号内代表标准差
结论
MCC填充PET-PTT混合物的复合材料可通过先熔融共混后挤压成型得到。
MCC的加入对复合材料的玻璃化转变温度（Tg）、熔融温度（Tm）、和结晶温度（Tc）没有重大的影响。
MCC填充的PET-PTT复合材料体系的储存模量比纯净PET-PTT混合物高，且随着MCC量的增加而增加，这种增强作用主要和纤维交联和纤维粒子间的强烈作用有关。
随着MCC的增加，MCC对tanδ峰温没有重大的影响，是因为复合材料的粘弹性主要受基底材料的影响。
TG也表明，在300℃下，MCC没有明显的降解。
因此，MCC填充的复合材料要用于高温环境，比如在自动化工业。
与含有润滑剂的PET-PTT、MCC体系相比，不含润滑剂的PET-PTT、MCC体系具有更好的储存模量、热稳定性、热行为改变较小。
在这次试验中，润滑剂仅仅作为添加剂来改善加工条件。
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