１试验部分
１．１试验材料
３种不同ｉＰＰ材料的基本参数如表１所示。为尽量减小分子量分布的影响，选用的３种ｉＰＰ材料具有基本相同的多分散性指数。无碱ＧＦ，直径为１４μｍ，由河南正通化学工程有限公司提供。
１．２ｉＰＰ热性能测试
采用差示扫描量热法（ＴＡＭＤＳＣ２９２０）测试了３种不同ｉＰＰ粒料的热性能。测试时，以１０℃／ｍｉｎ的升温速率从室温加热到２００℃，测试用料质量约为５ｍｇ。
１．３ｉＰＰ／ＧＦ复合材料试样制备
将一根洁净的ＧＦ以类似三明治的形式夹在２片预先热压的ｉＰＰ薄膜中间，并放在热台（ＬｉｎｋａｍＴＨＭＳ６００）上自制的样品池中，纤维一端固定在拉伸仪前端的固定装置上，另一端自由。试样所受热－机械史过程如图１所示，即先将样品升温至２１０℃，保持５ｍｉｎ消除其原热机械史，再以２０℃／ｍｉｎ降温速率冷却样品，当温度降至预设的剪切温度Ｔｐ时，立即以１５０μｍ／ｓ的速率牵引纤维１００ｓ，牵引停止后立即以最大降温速率３０℃／ｍｉｎ将试样冷却至等温结晶温度１３４℃，随后等温结晶１０ｍｉｎ。
１．４ｉＰＰ／ＧＦ复合材料界面形态和结晶形貌测试
在牵引纤维及试样等温结晶过程中，采用和热台联用的偏光显微镜（ＯｌｙｍｐｕｓＢＸ５１）进行ｉＰＰ／ＧＦ复合材料界面形态和结晶形貌的观察。同时利用与显微镜配合的高频率ＣＣＤ摄像机（Ｐｉｘｅｌｉｎｋｐｌ－ａ６６２）实时采集图像。
２结果与讨论
２．１不同分子量ｉＰＰ粒料的ＤＳＣ测试结果
为了选择合适的剪切温度，首先对３种不同分子量的ｉＰＰ粒料进行了ＤＳＣ熔融测试，所得ＤＳＣ熔融曲线如图２所示。由图２可见，对于分子量从高到低的ＰＰ１、ＰＰ２和ＰＰ３，熔融峰分别位于１６６．６、１６６．２和１６５．８℃，即随着分子量降低，ｉＰＰ粒料的熔点虽逐渐降低，却没有太明显的差异。根据先前的研究分析，包覆结构的出现是由于在较大剪切场作用下，ｉＰＰ分子链克服自身屈服应力发生伸展、取向和堆积的结果［１０］。但分子链在取向过程中，同样会因温度场的影响发生松弛，即这是取向和松弛竞争的过程。因此，为了保证包覆结构的形成，所选的剪切温度需低于ｉＰＰ材料的熔点，故文中所选最高剪切温度为１６０℃，每隔５℃逐步降低，进而来探究剪切温度对不同分子量基体中包覆结构形成的影响。
２．２不同剪切温度下ｉＰＰ／ＧＦ复合材料的界面形貌
将在一定剪切温度下纤维牵引（ｆｉｂｅｒ－ｐｕｌｌｉｎｇ，ＦＰ）１００ｓ后的界面形貌记为ＦＰ－１００ｓ；降温至１３４℃等温结晶（ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ，ＩＣ）１０ｍｉｎ的界面结晶形貌记为ＩＣ－１０ｍｉｎ；结晶１０ｍｉｎ后的试样在１５８℃选择性熔融验证（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｍｅｌｔｉｎｇｔｅｓｔ，ＳＭＴ）后的形貌记为ＳＭＴ。图３～图５分别为ＰＰ１／ＧＦ复合材料在不同剪切温度（１６０、１５５和１５０℃）下，不同时刻的界面形貌偏光显微图。由图３（ａ）可见，在剪切温度为１６０℃时，只有很薄一层包覆结构附着在ＧＦ表面；而随着剪切温度的降低，包覆结构的厚度逐渐增大（图４和图５）。由此可以推断，在以１５０μｍ／ｓ的速率牵引纤维１００ｓ的条件下，能够形成界面包覆结构的最高剪切温度约为１６０℃。由ＩＣ－１０ｍｉｎ形貌图可见，不同厚度的包覆结构均能在其表面诱导产生明亮的横晶，且随剪切温度的降低，横晶的厚度逐渐减小。这是因为从剪切温度降至等温结晶温度的过程需要一定的时间，同样降温速率下，剪切温度越高，降温所需的时间也越长，即剪切温度越高，试样总结晶时间也越长，故横晶厚度也稍有增大。通过在１５８℃选择性熔融验证，即ＳＭＴ形貌图可见，该明亮的横晶结构在１５８℃完全熔融了，而包覆结构和基体中的α球晶依然存在。这一结果与以往的研究相同，说明该明亮的横晶为β横晶，而包覆结构为热力学稳定的α晶［１０］；同时也再次证明了该包覆结构的存在能有效诱导其表面出现β横晶。图６～图８分别为ＰＰ２／ＧＦ复合材料在不同剪切温度（１４５、１４０和１３５℃）下，不同时刻的界面形貌偏光显微图。对于ＰＰ２／ＧＦ复合材料，在试验设定的剪切场下，发现其能出现界面包覆结构的剪切温度上限约为１４５℃，如图６所示。由ＦＰ－１００ｓ形貌图可知：对于１４５℃的剪切温度，整个纤维牵引过程中只有少量的包覆结构出现（图６（ａ））；而在１４０℃时（图７（ａ）），纤维牵引过程中虽有较多包覆结构的形成，却伴随着明显的取向松弛，从图中可以看到明显的流痕和断续的包覆结构，如图７（ａ）中箭头１所示；当剪切温度降至１３５℃时（图８（ａ）），可以观察到很厚的包覆结构出现在ＧＦ周围，且在剪切停止后，包覆结构表面已出现很薄一层密集的横晶，基体中也出现了个别α球晶，这是因为剪切温度较低，更有利于晶体的成核。同时，与图３～图５比较可见，在等温结晶后的ＰＰ２基体中，α球晶数目有明显增加，这是因为对于具有相同多分散性指数的ｉＰＰ材料，分子量越低，其所含的高分子链越短，从而更容易排入晶格而形成α球晶晶核。由ＩＣ－１０ｍｉｎ和ＳＭＴ再次证明了包覆结构能有效诱导β横晶的形成。而对于ＰＰ３／ＧＦ复合材料，剪切温度降至１３５℃才有包覆结构的出现，如图９所示，且也同样伴随着明显的取向松弛（箭头１所示）。这是因为低分子量的ＰＰ３分子链较短，取向的分子链更容易回复成无规状态。通过比较图８和图９各自的ＦＰ－１００ｓ形貌图可见，在同一剪切温度（１３５℃）下，经受相同的剪切场时，基体分子量对包覆结构的厚度具有十分显著的影响。由此可以推断，对于某一设定的剪切场（剪切温度和牵引速率恒定），包覆结构的形成可能需要基体分子量达到某一临界值。且等温结晶后的ＰＰ３／ＧＦ复合材料中出现了更多的α球晶，进一步验证了基体分子量越低，越有利于晶体的成核。
３结论
本文通过采用ｉＰＰ／ＧＦ单纤维牵引体系，探究了界面包覆结构的形成与剪切温度和基体分子量的关系。结果表明：１）对同一基体，在包覆结构能够形成的温度范围内，其厚度随剪切温度的升高而降低，且基体分子量越低，这一变化趋势越明显；２）相同剪切温度下，包覆结构的厚度随基体分子量的增加而增大；３）形成包覆结构的最高剪切温度随基体分子量的增加而升高。
作者：秦怡靖 单位：郑州大学材料科学与工程学院
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