石墨微片对聚三氟氯乙烯结晶及性能的影响

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.01.004

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (1): 18-25.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.01.004

石墨微片对聚三氟氯乙烯结晶及性能的影响

李毅, 樊桂琪, 吴天宇, 叶海木()

中国石油大学（北京）新能源与材料学院，北京 102249

收稿日期:2022-10-18 出版日期:2023-01-26 发布日期:2023-01-26
通讯作者: 叶海木（1983—），男，教授，主要从事高分子材料合成及性能调控研究， yehaimu@cup.edu.cn
E-mail:yehaimu@cup.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(21674128);中国石油大学（北京）科研基金(2462020YXZZ019)

Effect of graphite micro⁃sheets on crystallization and properties of polychlorotrifluoroethylene

LI Yi, FAN Guiqi, WU Tianyu, YE Haimu()

College of New Energy and Materials，China University of Petroleum，Beijing 102249，China

Received:2022-10-18 Online:2023-01-26 Published:2023-01-26
Contact: YE Haimu E-mail:yehaimu@cup.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

采用熔融共混工艺制备了聚三氟氯乙烯（PCTFE）/石墨微片（GMS）复合材料，研究了GMS含量对复合材料的结晶行为、力学性能、微观结构、动态热力学性能与阻隔性能的影响，并对导致体系性能变化的机制进行了探讨。结果表明，GMS的加入提高了复合材料的力学强度与刚性。当GMS含量为0.3 %（质量分数，下同）时，PCTFE/GMS⁃0.3的拉伸强度可达50.5 MPa，较PCTFE提升了22 %。当GMS含量为2 %时，PCTFE/GMS⁃2的弹性模量与损耗模量为1 091 MPa与1 233 MPa，较PCTFE分别提升了36 %与60 %。并且，复合材料的玻璃化转变温度也有明显升高，较PCTFE增大了7~12 ℃。力学性能的提升可归因于GMS对PCTFE基体的增强作用。同时，GMS也能促进PCTFE成核，且少量GMS还可提高PCTFE的结晶度。此外，GMS对提升PCTFE的阻隔性能效果显著。随GMS含量的增加，复合材料的氢气渗透系数逐渐降低。当GMS含量为2 %时，PCTFE/GMS⁃2的氢气渗透系数可低至2.78×10^-15 cm³·cm/（cm²·h·Pa），较PCTFE下降了49 %。

关键词: 聚三氟氯乙烯, 石墨微片, 结晶行为, 力学性能, 微观结构, 阻隔性能

Abstract:

Polychlorotrifluoroethylene （PCTFE）/graphite micro⁃sheets （GMS） composites were prepared through melt blending， and the effect of GMS content on the crystallization behavior， mechanical properties， microstructure， dynamic thermo⁃mechanical properties， and barrier properties of the composites were investigated. Meanwhile， the mechanisms for the variation of the properties were discussed. The results indicated that the addition of GMS improved the mechanical strength and rigidity of the composites. The PCTFE/GMS composite exhibited tensile strength of 50.5 MPa at a GMS loading of 0.3 wt%. This result is 22 % higher than that of pure PCTFE. When 2 wt% of GMS was added， the PCTFE/GMS⁃2 composite obtained an elastic modulus of 1 091 MPa and a loss modulus of 1 233 MPa， which increased by 36 % and 60 %， respectively， compared to pure PCTFE. Moreover， the glass transition temperatures of the composites were also improved significantly， which was 7~12 ℃ higher than that of pure PCTFE. The change of mechanical properties is attributed to the reinforcing effect of high⁃strength GMS on the PCTFE matrix. Simultaneously， GMS could promote the nucleation of PCTFE， and a small amount of GMS enhanced its crystallinity. In addition， GMS enhanced the barrier performance of PCTFE effectively， and its hydrogen permeation coefficient decreased gradually with an increase in the GMS content. When 2 wt% of GMS was added， the PCTFE/GMS composites obtained a permeation coefficient of 2.78×10^-15 cm³·cm/（cm²·h·Pa）， which was 49 % lower than that of PCTFE.

Key words: polychlorotrifluoroethylene, graphite micro?sheet, crystallization behavior, mechanical property, microst?ructure, barrier property

中图分类号:

TQ325.1

李毅, 樊桂琪, 吴天宇, 叶海木. 石墨微片对聚三氟氯乙烯结晶及性能的影响[J]. 中国塑料, 2023, 37(1): 18-25.

LI Yi, FAN Guiqi, WU Tianyu, YE Haimu. Effect of graphite micro⁃sheets on crystallization and properties of polychlorotrifluoroethylene[J]. China Plastics, 2023, 37(1): 18-25.

图/表 7

图1 GMS的SEM照片

Fig.1 SEM of graphite micro⁃sheets

图2 PCTFE和PCTFE/GMS复合材料的DSC曲线

Fig.2 DSC curves of PCTFE and PCTFE/GMS composites

样品	T_c/℃	ΔH_c/ J·g^-1	T_m/℃	ΔH_m/ J·g^-1	结晶度/ %
PCTFE	180.0	20.50	213.1	20.69	47.6
PCTFE/GMS⁃0.1	182.4	22.04	213.2	22.42	51.6
PCTFE/GMS⁃0.3	183.7	19.58	213.1	19.69	45.4
PCTFE/GMS⁃0.5	185.3	20.40	212.8	20.45	47.2
PCTFE/GMS⁃1	186.9	19.66	213.5	19.85	46.1
PCTFE/GMS⁃2	187.1	19.93	213.2	20.17	47.3

表1 PCTFE和PCTFE/GMS复合材料的DSC特征参数

Tab.1 DSC characteristic parameters of PCTFE and PCTFE/GMS composites

图3 PCTFE和PCTFE/GMS复合材料的力学性能

Fig.3 Mechanical properties of PCTFE and PCTFE/GMS composites

图4 PCTFE与PCTFE/GMS复合材料的拉伸断面SEM照片

Fig.4 SEM of the cross sections of PCTFE and PCTFE/GMS composites after tensile test

图5 PCTFE和PCTFE/GMS复合材料的动态热力学性能及复合材料的微相分离示意图

Fig.5 DMA curves of PCTFE and PCTFE/GMS composites as well as microphase separation of PCTFE/GMS composites

图6 PE⁃HD，PCTFE和PCTFE/GMS复合材料的氢气渗透系数及PCTFE/GMS⁃2的脆断面SEM照片

Fig.6 Hydrogen permeability coefficients of PE⁃HD， PCTFE and PCTFE/GMS composites as well as SEM of fracture section of PCTFE/GMS⁃2

参考文献 23

1	LI J， HO M S， XIE C， et al. China's flexibility challenge in achieving carbon neutrality by 2060 ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2022， 158： 112112.
2	ANKANG M， YUE Y， HAN W， et al. Research on development status and trend of green hydrogen energy technologies under targets of carbon peak and carbon neutrality ［J］. Distributed Energy， 2021， 6（4）： 15⁃24.
3	ZHANG S， CHEN W. Assessing the energy transition in China towards carbon neutrality with a probabilistic framework ［J］. Nature Communication， 2022， 13： 87.
4	ZOU C， XIONG B， XUE H， et al. The role of new energy in carbon neutral ［J］. Petroleum Exploration and Development， 2021， 48（2）： 480⁃491.
5	DHANUMALAYAN E， JOSHI G M. Performance pro⁃perties and applications of polytetrafluoroethylene （PTFE）—a review ［J］. Advanced Composites and Hybrid Materials， 2018， 1（2）： 247⁃268.
6	ZHANG N， LI Q， LI Q， et al. Seat tightness of pneumatic cryogenic control valve ［J］. Science China Technological Sciences， 2013， 56（8）： 2 066⁃2 069.
7	SUI Y， LI J， QIU Z， et al. Effects of the sintering temperature on the superior cryogenic toughness of ultra⁃high molecular weight polyethylene （UHMWPE）［J］. Chemical Engineering Journal， 2022， 444： 136366.
8	TENG H. Overview of the development of the fluoropolymer industry ［J］. Applied Sciences， 2012， 2（2）： 496⁃512.
9	BOSCHET F， AMEDURI B. （Co）polymers of chlorotrifluoroethylene： synthesis， properties， and applications ［J］. Chemical Reviews， 2014， 114（2）： 927⁃980.
10	ZEKRIARDEHANI S， JABARIN S A， GIDLEY D R， et al. Effect of chain dynamics， crystallinity， and free volume on the barrier properties of poly（ethylene terephthalate） biaxially oriented films ［J］. Macromolecules， 2017， 50（7）： 2 845⁃2 855.
11	COMPTON O C， KIM S， PIERRE C， et al. Crumpled graphene nanosheets as highly effective barrier property enhancers ［J］. Advanced Materials， 2010， 22（42）： 4 759⁃4 763.
12	YOO B M， SHIN H J， YOON H W， et al. Graphene and graphene oxide and their uses in barrier polymers ［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2014， 131（1）： 39628.
13	XU J Z， CHEN T， YANG C L， et al. Isothermal crystallization of poly（l⁃lactide） induced by graphene nanosheets and carbon nanotubes： a comparative study ［J］. Macromolecules， 2010， 43（11）： 5 000⁃5 008.
14	AOYAMA S， PARK Y T， OUGIZAWA T， et al. Melt crystallization of poly（ethylene terephthalate）： comparing addition of graphene vs. carbon nanotubes ［J］. Polymer， 2014， 55（8）： 2 077⁃2 085.
15	中国国家标准化管理委员会. 塑料拉伸性能的测定第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件：［S］. 北京：中国标准出版社， 2006.
16	中国国家标准化管理委员会. 树脂浇铸体性能试验方法：［S］. 北京：中国标准出版社， 2022.
17	全国塑料制品标准化技术委员会. 塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法—压差法：［S］. 北京：中国标准出版社， 2001.
18	季根忠，刘维民，齐陈泽，等. 刚性粒子增韧聚合物机理研究［J］. 高分子通报， 2005 （1）： 50⁃54.
	JI G Z， LIU W M， QI C Z， et al. Study on toughening mechanism of polymer toughened by rigid organic particles ［J］. Polymer Bulletin， 2005 （1）： 50⁃54.
19	Li Y， Wen J H， Wu T Y， et al. Mechanical properties and microstructure of polychloro⁃ trifluoroethylene toughened by polyamide 11 based on intermolecular interaction ［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2022， 139（42）： 53028.
20	EHRENSTEING W. 聚合物材料：结构·性能·应用［M］. 张萍，赵树高，译. 北京：化学工业出版社， 2007： 165⁃180.
21	佘亚楠，付烨，朱钦睿，等. 纸浆纤维/聚乳酸复合材料的力学和热学性能［J］. 复合材料学报， 2021， 39： 1⁃12.
	SHE Y N， FU Y， ZHU Q R， et al. Mechanical and thermal properties of pulp fiber/polylactic acid composite ［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2022， 39（10）： 1⁃12.
22	HOFFMAN J D， WILLIAMS G， PASSAGLIA E. Analysis of the α， β， and γ relaxations in polychlorotrifluoroethylene and polyethylene： dielectric and mechanical properties ［J］. Journal of Polymer Science： Part C， 1966， 14： 173⁃235.
23	于柏峰. 油气输送用柔性增强热塑性管道研究和应用［J］. 纤维复合材料， 2018， 35（4）： 29⁃33.
	YU B F. Research and application of reinforced thermoplastic pipe in oil and gas transmission pipeline ［J］. Fiber Composites， 2018， 35（4）： 29⁃33.

[1]	段凯歌朱辉倪佳泮豪周朝锡陈小蝶梅振威于东明. 热塑性交联聚乙烯（TPEXa）管材的制备及性能研究[J]. , 2023, 37(1): 8-12.
[2]	沈一蕊周文斌张菁菁赵承仲高华坤沈曙光刘德开蒋平平. 中长碳链氯化石蜡在聚氯乙烯制品中的应用及性能研究[J]. , 2023, 37(1): 31-37.
[3]	张伟程胡祥罗鸿兴金卉游峰江学良姚楚. 中空玻璃微珠填充聚氨酯发泡材料的吸声性能与动态力学性能研究[J]. , 2023, 37(1): 38-45.
[4]	赵一权, 董婧晗, 张铜柱, 王焰孟, 刁帅, 李明贺, 徐昌竹. 汽车外饰用再生聚丙烯材料性能研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(1): 112-118.
[5]	焦志伟, 王克琛, 张杨, 杨卫民. 基于碳纳米涂层沉积滑石粉与炭黑协同填充PVC/ABS复合材料的性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 10-15.
[6]	张陶忠, 陈晓龙, 郝晓宇, 于福家. 滑石、CaCO₃、BaSO₄填充PP复合材料力学性能及界面相互作用对比[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 36-41.
[7]	杜青, 何祎, 余坦竟, 蓝艳姣, 赵彦芝, 周菊英. 取向PAN/MWCNTs与热塑性聚烯烃复合材料的制备及表征[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 49-55.
[8]	于昌永, 辛忠. 基于六氢邻苯二甲酸盐的α/β复合成核剂对聚丙烯性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 121-128.
[9]	谭立钦, 刘伟区, 梁利岩, 王硕, 冯志强, 林家明. 含巯基聚硅氧烷改性环氧树脂的制备及性能[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 21-29.
[10]	徐杰, 钟进福, 童晓茜, 李广富, 付栋梁, 李城城. 端羧基修饰单宁酸/没食子酸环氧树脂复合材料的制备与性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 44-50.
[11]	李凯泽, 辛勇. 改性碳纳米管增强热塑性聚氨酯复合材料的性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 1-5.
[12]	王帅, 张玉迪, 杨富凯, 徐新宇. 聚酰亚胺/多壁碳纳米管泡沫材料的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 39-45.
[13]	王金业, 唐博虎, 杨立宁, 谢猛, 郭泽朝, 杨光. PA12试件多射流熔融成型工艺研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 81-86.
[14]	孙文博, 信春玲, 何亚东, 翟玉娇, 闫宝瑞. 玻璃纤维增强PBT微发泡工艺对其制品泡孔结构的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 1-7.
[15]	王轲, 龙春光. PE⁃UHMW/海泡石纤维复合材料的力学性能与摩擦学性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 19-23.

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