维普资讯 http://www.cqvip.com 研究与开发 CHI合成树脂及塑料,2NA SYNTHETIC RESIN 00AND 3,2P0(LA nCS2):13 PBT非等温结晶动力学 周林洋 (中国石化上海石油化工股份有限公司合成纤维研究所,上海,200540) 摘要:用差示扫描量热法研究聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)的非等温结晶动力学,并分别用Ozawa、Jeziomy 和考虑综合因素法来处理PBT的非等温结晶数据。结果表明,PBT非等温结晶过程与OT ̄¥qa动力学方程相吻合,但 不符合用Jeziomy方法处理的Avrami动力学方程;综合考虑温度和结晶程度对聚合物结晶速度的影响,PBT非等温 结晶过程符合结晶动力学方程。 关羹词:聚对苯二甲酸丁二酯非等温结晶 动力学差示扫描量热法 聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)的结晶性能直接 融热和温度( 校正用铟作标准,熔融热校正在 影响PBT纤维的性能和加工生产工艺。研究PBT 27.85-29.05 J/g,T校正在429.45-430.05 K。PBT 的结晶动力学对纤维产品的生产应用具有重要意 等速降温结晶差示扫描量热法(DSC)的条件:先 义。多年来已有许多关于PBT结晶研究的报道。 快速升温至533.15 K使PBT熔融,恒温5 min后 由于高聚物结晶的非等温结晶的理论较为复杂, 分别以45,35,25,20,15,10,5 K/min的速度 所以一般认为,结晶过程主要用等温结晶动力学 降温至298.15 K。 Avrami方程来描述I“。Ozawa导出了非等温结晶动 力学模型用以求取Avrami指数(,1);Jeziomy提出 2结果与讨论 了非等温结晶动力学能力的概念。近年来,也有用 2.1 R对PBT非等温结晶的影响 等温结晶Avrami公式导出非等温结晶动力学的 将PBT加热到熔点( )以上,然后以不同的 方法对聚酯、聚酰胺的非等温结晶进行研究 。 R进行降温,则可以得到相应的一系列形状类似 本工作研究不同的等速降温速率(R)条件下PBT 的非等温结晶曲线。R越大,则曲线的峰值温度 的结晶行为,并分别用3种动力学模型对PBT的 ( 越低(见图1)。 非等温结晶过程进行处理,从不同角度分析了解 将放热曲线偏离基线的点取作时间(t)原点, PBT的非等温结晶的特点,为PBT纤维的生产在 在DSC曲线上用聚合物结晶度(G0对t作图。图2 理论上提供参考依据。 为不同R下的Grt关系,表1为不同R时PBT 的结晶参数。 1实验部分 由图1和表1数据可以看到,随着R的增 1.1仪器和试样 大, 和半结晶时间都明显减小。这反映了R对 梅特勒一托利多公司DSC 822 e差示扫描量 聚合物结晶的一般影响,即R越大,结晶的起始 热仪,哈克公司EK 90/MT制冷系统,STAR ̄热分 就越低,结晶速率也就越快。 析软件。 PBT切片,仪征化纤公司生产,特性粘数为 收稿日期:2002-09-28。 1.04 dUg。 修改稿收翻日期:2003-02-19。 1.2实验条件 作者简介:周林洋,1955年生,博士,高级工程师,现 从事化学纤维研究和管理工作,已发表论文16篇。联 试样量,9 mg;坩锅,40 mL平底锅;吹扫载 系电话:(O21)57940918或57941941转24855:E—mail: 气,80 mIJmin(氮气);干燥气,200 mL/min;熔 维普资讯 http://www.cqvip.com 合成树脂及塑料 2003年第20卷 到斜率为n的直线(见图3)。 { 堰 章 0 蕞 i 图1不同冗时邝T的DSC曲线 Fig.1 DSC curves ofPBT at diferent cooling rate 1 25 K/rain;2 20 K/min;3 15 K/re.in; 图3不同 时PB]r的lg卜ln(1一 】 g R 4 10 K/min;5 5 K/min Fig.3 The relation oflg卜In(1一GT)]V8.1gR ofPBT at diferenttemperature 1 463.15 2 458.15 K;3 453.15 K; l0o 4 448.15 K:5 443.15 K;6 438.15 K 80 由图3求得不同 时的n值(见表2)。 术 6o 裹2不同 时PBT的n值 Tab.2 The Avrami exponent n ofPBT at different 40 etmperatures 20 O 由表2可以得出,由于高聚物结晶成核机理 图2不同R时PBT的G £ 复杂[4I,因此n为非整数。在非等温结晶实验范围 Fig.2 The relation between(;T andt ofPBT at diferent cooling rate 内,PBT的/1,随着 变化而在1.88-2.47变动,与 1 25 K/min;2 20 /Krain;3 15 K/mln; PBT等温结晶时在438.15~463.15 K条件下的n 4 10 K/min:5 5 K/rain (1.86 .83)t 大致相同;而与等温结晶条件下n 裹1不同R时PBT的结晶参数 Tab.1 Crystallographlflelmrameters ofPBT 随着结晶温度(to)下降而变大不同,非等温结晶 at diferent eooUng rate 条件下n随着 的下降出现极大值。 23用Jeziorny法处理的PBT结晶动力学 Jeziomy法是基于等温结晶动力学的假设,是 对Avrami动力学方程进行修正得到的(见式3): lg[-ln(1一 )】=lg Zo+,ltg t (3) 2.2用Ozawa方程处理的PBT结晶动力学 式中,lg Zo=(1g五)/R, 为Avrami等温结晶动力 Ozawa方程是20世纪70年代出现的处理聚 速率常数,zc是考虑R的影响对 进行的修正。 合物非等温结晶的方法,以聚合物结晶的成核和 式(3)表述的含意是,在非等温结晶过程中相同R 生长为着眼点,导出了不同 时G 与R之间的 对聚合物的结晶速率常数产生了影响。Jeziomy方 关系: 程的实质就是先把聚合物的非等温结晶过程按等 1一G =exp[_,(T)/Rq (1) 温结晶过程来处理,然后对所得的参数进行修正。 对式(1)进行简单数学变换,即可得到如下形 从图4可以看到,在本研究范围内,Jeziomy 式: 方程(Jeziomy法的Avrami动力学方程)基本上不 Jg[一lIl(1-G )】=lg,( -n lg R (2) 是直线,即邝T的非等温结晶不符合Jeziomy法 式(2)中,厂(7)与成核方式、成核速率、晶核生长速 的Avrami动力学方程。其实,这一结果也表明 率等因素相关,是 的函数,称为冷却函数。在给 PBT结晶时的动力学速率常数与 有明显的相关 定 的条件下,用lg[-1n(1-67)]对lg R作图,可得 性,因此用Jeziomy法就得不到PBT结晶的线性 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 周林洋.PBT非等温结晶动力学 关系。 图,并对实验点进行二项式回归(见图5)。 j 雪 上 . LgI 图4不同R时PBT的lg卜ln(1一 】-lgt Fig.4 The relation oflg卜ln(1-G ̄)】VS.1gt ofPBT at diferent cooling rate 1 15 K/rain;2 20 K/rain;3 25 K/rain; 4 10 K/rain;5 5 K/rain 图5 PBT等速降温结晶动力学回归曲线 Fig.5 The kinetic regression curve of PBT at constant cooling rate 图5中左侧一组是等速降温结晶条件下7个 时的实验点,右侧一组是等温结晶条件下的3 个不同 的实验点,二次曲线是等速降温结晶实 验点的回归曲线。从图5可以看到,用式(4)来描 述的PBT结晶动力过程,与实验数据能很好地吻 合。在本研究条件下,与等速降温结晶过程相比, 等温结晶过程对应于相同K时的 略向高温方 2.4考虑综合因素的PBT结晶动力学 对于PBT的非等温结晶过程,通过Ozawa方 法可以求得n,但 )的含义和表达比较复杂,要 求解f(T)的参数较为困难;用Jeziomy法得不到 线性关系。用考虑综合法处理 对PBT结晶速度 影响因素和结晶程度对结晶速度影响因素后,得 出结晶动力学方程圈(见式4): 向移动,但实验点的变化趋势是完全一致的。 掣:e埘 【1一GT(t)I=GT(t)m (4) 3结论 式(4)模型中,G (t)为相对结晶度;die (t)] 为 a)PBT非等温结晶过程与Ozawa动力学方程 结晶速度;E为高聚物链段迁移活化能;E/R为反 映链段迁移结晶所需克服的阻力;F为过冷成核 因子;Ol为过冷调节因子; 为玻璃化转变温度; e一肌 H 为PBT在某一确定温度下的结晶速 率常数,也是PBT结晶与 的关系参数。 式(4)可以表述为,非等温结晶的PBT结晶 速度与 和 的差成正比,也与 和 的差成 正比;同时,与PBT的无定形区域比例的n次幂 相吻合,而不符合用Jeziomy方法处理的Avrami 动力学方程。Ozawa方程所得到的n随着 变化 而在1.88 ̄2.47之间变动,与PBT在不同 条件 下的等温结晶时的n(1.86 ̄2.83)值大致相同。 b)综合考虑 和结晶程度对聚合物结晶速度 的影响,PBT非等温结晶过程符合结晶动力学方 程: 掣=e郴 删 1一㈨】 G 该模型对不同结晶条件的PBT有较好的适应性。 参考 文献 成正比,也与结晶高聚物的结晶区域比例的m次 幂成正比。 PBT的结晶速度常数㈣可用下式来表示: K=e删 一 (5) l边界,叶胜荣.高等学校化学学报,2000,21(9):l 481 对上式两边取自然对数,并进行简单数学处 理,可得如下数学模型: 2张志英.应用化学,1997,14(5):32 3刘民英,赵清香.高分子材料科学与工程,1995,l1(6):71 (T-T)ln 一, 号 (6) 4 Cimmino S,Di Pace E,Martscelni E,et a1.Polymer,1991,32 (6):l 080 先通过在等温结晶条件下用式(4)求得n和 m,再求得非等温结晶时不同 的 对应的K(T 5周林洋,江若平.合成纤维工业,2002,27(6】:17 (编辑:王丽敏) 的函数),然后再根据式(6)用( ln K对 作 (下转第18页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 合成树脂及塑料 2003年第2O卷 样本,最后1行为使用训练好的神经网络,输入新 材料界面性能设计,对研制中的新材料,可以大大 的工艺参数得到的检验样本。 减少实验量,降低实验成本,是一种有广泛应用前 从表1可以看出,实验值和网络输出值非常 景的设计方法。 接近。这说明建立的工艺参数与复合材料界面性 能的关系模型是可靠的,可以用此模型对复合材 参考文 献 料的界面性能进行设计。 1秦伟,张志谦.航空材料学报,2001,21(4):38^H41 2 Chen S,Cowan C F N,Grant P M.Neural Networks,1991,2 4结论 (1):302-309 a)使用RBF神经网络建立起工艺参数与碳 3 Shoemaker P A.Neural Networks,1991,2(2):158-160 纤维织物/环氧复合材料界面性能的关系模型,利 4 Xia Youshen,Leung H,Bosse E.Neural Networks,2002,13 (2):320-329 用此模型可以设计复合材料界面性能,得到了令 5 Plawky U,Londschien M,Michaeli W.J Material Science, 人满意的实验结果。 1996,31(22):6 043-6 053 b)该方法能充分利用现有的实验结果指导 (编辑:向 东) Designing interfacial property of composite material by RBF neural network Liu Zilong,Qin Wei (Harbin Institute of Technology,Harbin,150001) Abstract This paper presented a new method suitable for designing interfacila property of carbon fiber braid/ epoxy composite.A relationship model between technological parameters and interfacial properties of the composites was set up by a radial basis function neural network.The practical application proved the effectiveness of this method. Key Words:radila basis function neural network;resin transmission moulding;carbon fiber braid (from page 15) Non-isothermal crystallization kinetics of polybutylene terephthalate Zhou Linytmg (Synthetic Fiber Research Institute,Shanghai Petrochemical Co.,Ltd.,SINOPEC,Shanghai,200540) Abstract ,I1le non—isothermal crystallization kinetics of polybutylene terephthalate(PBT)was studied tIl diferentila scanning calorimetry. ,I1le non-isothermal crystallization data of PBT Was analyzed by Ozawa, Jeziorny and comprehensive factor method. respectively. ,I1le results show that the non—isothermal crystallization process of PBT agrees with Ozawa kinetic equation,but not con ̄orIns to Awami equation processed in the Jeziomy method.W_}Ien the effects of temperature and crystlalinity on PBT S crystallization rate is considered comprehensively. 山en the non—isothermal crystallization behaviour of PBT is accordance with crystallization kinetic equation. Key Words:polybutylene terephthalate;non—-isothermal crystallization;kinetics;diferentila scanning calorimetry