X-ray investigation of polypropylene and irradiated i-PP_EVA blends
微波辐射马来酸酐-丙烯酸共聚物的合成及其助洗性能

中图分类号 :625 0 3. 文献标识码 : A
M ir wa e a sse y he i fm a ec a hy rde a r lc c o v - s it d s nt ss o li n d i - c y i c p l m e : d is d t r e o e te o oy r m t e e g ntpr p ris
LU . u Lih a
( oeeo h mcl p a cui lQ ndoU iesyo g cl r , i d oS adn 6 19C i ) C l g f e i & h r et a, iga nvr t f i t e Qn a ,h no g 60 hn l C a ma c i A u u g 2 a
第2 3卷 第 1 2期 21 年 l 01 2月
化 学 研 究 与 应 用
C e c l s a c n p l ai n h mia e r h a d A p i t Re c o
Vo . 3, o 1 12 N . 2 De ., c 201 1
文章 编 号 :0 4 15 ( O 1 1 —7 10 1 0 —6 6 2 l ) 2 1 1 -4
s l t i W ra itd a 0 r8 mi . d rt e e c n i o s t e d t r e t r p r e f h y t e ie o oy rwee S — uf e, a ird ae t 0 W f n Un e s o d t n ,h ee g n o e i so e s n h sz d c p lme r U a t s 6 o h i p t t
乙烯基类聚合物对克雷伯氏菌和芽孢杆菌共培养的毒理效应

第36卷 第5期 陕西科技大学学报 V o l.36N o.5 2018年10月 J o u r n a l o f S h a a n x iU n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y O c t.2018* 文章编号:2096-398X(2018)05-0063-08乙烯基类聚合物对克雷伯氏菌和芽孢杆菌共培养的毒理效应朱 超,王慧琴,孙斯蔚,张文婷,丁 泽(陕西科技大学环境科学与工程学院,陕西西安 710021)摘 要:乙烯基类聚合物是皮革化学品中广泛应用的一种新材料,但其工业排放对水体环境生物,特别是微生物的影响还缺乏研究.以克雷伯氏菌(K l e b s i e l l a s p.)和芽孢杆菌(B a c i l l u s s p.)菌株为受试生物,采用批量培养法考察了100m g/L㊁500m g/L和1000m g/L三个暴露浓度下聚丙烯酸酯涂饰剂(L J L-2)㊁聚丙烯酸酯/纳米Z n O复合涂饰剂(L J L-3)㊁P D M-A A-AM-H E A鞣剂(L Y-5)和溶胶凝胶P D M-A A-AM-H E A/Z n O鞣剂(L Y-8)四种乙烯基类聚合物对纯培养和混合培养菌株的急性毒性,评价指标包括培养物中的乳酸脱氢酶(L D H)释放率和胞内活性氧(R O S)水平.结果表明,乙烯基类及其纳米复合涂饰剂较之鞣剂聚合物对细菌纯培养和混合培养体系中微生物的生长抑制现象更为明显;两个系列乙烯基聚合物暴露下的纯培养体系和混合培养体系中L D H释放率与对照组相比均无显著差异,但各个暴露浓度下细胞内R O S水平较之对照均明显提高,且与暴露浓度正相关;整体而言混合培养体系较纯培养体系对两个系列聚合物的生物耐受性更强.关键词:乙烯基聚合物;克雷伯氏菌属;芽孢杆菌属;毒理学效应;乳酸脱氢酶释放率中图分类号:X172 文献标志码:AT h e t o x i c a l e f f e c t o f v i n y l p o l y m e r s o nad e f i n e d c o-c u l t u r eo f K l e b s i e l l a s p.a n d B a c i l l u s s p.Z HU C h a o,WA N G H u i-q i n,S U NS i-w e i,Z HA N G W e n-t i n g,D I N GZ e (S c h o o lo fE n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g,S h a a n x i U n i v e r s i t y o fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,X i'a n710021,C h i n a)A b s t r a c t:V i n y l p o l y m e r i sn e w m a t e r i a lw i d e l y u s e di nl e a t h e rc h e m i c a l s w h o s e p o t e n t i a le f f e c t o na q u a t i c o r g a n i s m sd u e t o i n d u s t r i a l d i s c h a r g e,e s p e c i a l l y o nm i c r o o r g a n i s m s,i s s t i l l l a c k i n g.B a t c hc u l t u r ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt o i n v e s t i g a t et h ea c u t et o x i c i t y o f f o u r k i n d s o f v i n y l p o l y m e r s a s p o l y a c r y l a t e f i n i s h i n g a g e n t(L J L-2)㊁p o l y a c r y l a t ew i t hn a n o m e t e r Z n Of i n i s h i n g a g e n t(L J L-3)㊁P D M-A A-AM-H E At a n n i n g a g e n t(L Y-5)㊁P D M-A A-AM-H E Aw i t hn a n o Z n Ot a n n i n g a g e n t(L Y-8)o n t h e p u r e c u l t u r e s a n dm i x e d c u l t u r e o f K l e b s i e l l a s p.a n d B a c i l l u s s p.r e s p e c t i v e l y,w i t h e x p o s u r e c o n c e n t r a t i o n s o f100m g/L,500m g/La n d1000*收稿日期:2018-03-01基金项目:国家科技重大专项项目(2017Z X07602-001);陕西省教育厅专项科研计划项目(16J K1081);陕西科技大学博士科研启动基金项目(B J12-29)作者简介:朱 超(1981-),男,陕西西安人,讲师,博士,研究方向:污染环境微生物学㊁环境毒理学Copyright©博看网 . All Rights Reserved.陕西科技大学学报第36卷m g/L.T h e t o x i c a l e f f e c t a n d t o x i cm e c h a n i s m s o f v i n y l p o l y m e r o nm i c r o b e sw e r e e x a m i n e db y d e t e r m i n i n g t h e g r o w t ha sw e l l a s t h e r e l e a s e r a t eo f l ac t a t ede h y d r o g e n a s e(L D H)a n dt h e l e v e l o f i n t r a c e l l u l a r r e a c t i v e o x y g e ns p e c i e s(R O S).T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t v i n y l a n di t s n a n o-c o m p o s i t e f i n i s h i n g a g e n t sc a u s e do b v i o u s i n h i b i t i o no f g r o w t ho n p u r ea n d m i x e dc u l t u r e so f b o t h K l e b s i e l l a s p.a nd B a c i l l u s s p.t h a n v i n y l p o l y me r s u s e df o r t a n n i n g;n o s i g-n i f i c a n t d i f f e r e n c e o f L D Hr e l e a s e r a t ew e r e o b s e r v e d i nb o t h p u r e c u l t u r e a n dm i x e d c u l t u r ee x p o s e db y t w os e r i e so fv i n y l p o l y m e r sc o m p a r i n g t oc o n t r o l g r o u p,b u t t h e i n t r a c e l l u l a r R O S l e v e l a te a c he x p o s u r ec o n c e n t r a t i o n w a ss i g n if i c a n t l y h igh e r t h a nt h a to f t h ec o n t r o l a n d p o si t i v e l y c o r r e l a t e dw i t h t h e e x p o s u r e c o n c e n t r a t i o n.O v e r a l l,t h em i x e dc u l t u r e s y s t e mh a dh i g h e r b i o-t o l e r a n c e t o t h e v i n y l p o l y m e r s t h a n p u r e c u l t u r e s y s t e m.K e y w o r d s:v i n y l p o l y m e r s;K l e b s i e l l a s p.;B a c i l l u s s p.;t o x i c a l e f f e c t;l a c t a t e d e h y d r o g e n-a s e r e l e a s e r a t e0 引言乙烯基类聚合物是由含碳碳双键的单体经自由基聚合反应所得,由于具有良好的水分散性,能与胶原分子发生交联结合形成网状结构,并且其官能团可与胶原反应而使结构更加稳定[1],故一直以来乙烯基类聚合物倍受皮革化学工作者的青睐[2].然而在其广泛应用的同时,由于未充分利用及处理不当,导致部分乙烯基类聚合物随工业废水进入水体环境中,很可能对水生生态系统的结构和功能造成影响.污水处理厂的活性污泥生化系统作为这类聚合物进入环境的第一道防线,是强化了的水体功能微生物集群,研究乙烯基类聚合物对其中模式种群的生物学效应及毒理学机制对于评价基于乙烯基类聚合物的各类制革化学品的生态风险和环境友好性具有重要意义.近年来的研究表明变形菌门[3,4]和厚壁菌门[3-5]是活性污泥系统中参与有机物降解的优势种群.芽孢杆菌属是厚壁菌门中典型的孢子生成菌属[6],其催化途径受葡萄糖和各种快速代谢底物的催化代谢物所抑制,其休眠态细胞较之营养细胞有更强的环境压力抵抗能力.克雷伯氏菌属[7]属于变形菌门,其广泛分布于土壤㊁植被和水体等环境中,参与各类生物和地球化学反应,是非临床胁迫环境中的主要微生物构成种群.许多克雷伯氏菌属成员都具备参与环境生物修复的特性.从多环芳烃-重金属土壤中分离纯化得到的一株雷伯氏菌J U1,在培养6d后对荧蒽的最高降解率可达90%以上[8].P i n g L等[9]从土壤中分离得到雷伯氏菌菌株P L1,分别与20m g/L吡啶和10m g/L苯并芘共培养10d后,降解率分别达到63.4%和55.8%,对于受多环芳烃污染的土壤显示了巨大的生物修复潜力.而较之单一种群,混合微生物种群通过代谢协作往往表现出对于毒性有机物的强耐受性和共代谢降解能力.P o u l s e n等[10]报道了一些难降解污染物的好氧降解过程中包含了多种微生物种群的共代谢作用.L i a o等[11]用高浓度磺胺培养筛选出具有降解能力的功能微生物群落,培养4周后平均磺胺降解率为78.3%,优于单一种群降解的效果.从这个角度来说使用混合培养物进行目标化学品的毒性效应评价更符合实际微生物生态系统效能.因此,本研究选取克雷伯氏菌属和芽孢杆菌属作为模式种群分别从纯培养和混合培养水平考察四种乙烯基类聚合物的生物学效应,以期提供此类化学品的基础微生物生态效应.1 实验部分1.1 主要材料受试菌株来源:分离自市政污水处理厂二沉池活性污泥中的克雷伯氏菌属(K l e b s i e l l a s p.)和芽孢杆菌属(B a c i l l u s s p.)菌株,二者N C B I登录号分别为K C753506和K C753503.甘油冷冻保存的菌株经牛肉膏蛋白胨液体培养基活化和牛肉膏蛋白胨固体培养基划线分离后,37℃恒温振荡(150 r/m i n)培养至O D600n m为0.305,浓度约为107 C F U/m L时保存备用.以表1中四种基于乙烯基类聚合物的皮革化学品作为评价对象,设置三个暴露浓度:100m g/ L㊁500m g/L和1000m g/L,将不添加任何化学品的培养物视为对照.1.2 实验设置纯培养设置:在超净工作台中,各取2.5m L㊃46㊃Copyright©博看网 . All Rights Reserved.第5期朱 超等:乙烯基类聚合物对克雷伯氏菌和芽孢杆菌共培养的毒理效应克雷伯氏菌属和芽孢杆菌属扩繁菌液(见1.1)分别加入250m L 的锥形瓶中,并分别添加四种乙烯基类聚合物和牛肉膏蛋白胨液体培养基至100m L 并达到3个浓度水平,每个处理设置三个平行,37℃㊁150r /m i n 进行振荡培养.混合培养设置:混合培养设置同纯培养设置仅接种液不同,为预先1∶1(体积比)混合的克雷伯氏菌和芽孢杆菌扩繁菌液,混合菌液接种量与纯培养暴露处理相同,总量为2.5m L .接种后0h ,2h ,4h ,6h ,8h ,10h ,12h ,24h ,36h ,48h ,72h ,108h 分别测定纯培养处理的和混合培养处理的p H 值及O D 600n m 值.1.3 乳酸脱氢酶(L D H )释放实验L D H 是一类稳定的胞内酶[12],正常情况下在所有细胞中保持几乎相同的浓度,目前其作为一种生物标志物基于检测受损细胞释放的L D H 活性,从而实现对体外细胞系统中的细胞毒性/细胞溶解进行快速简单地定量[13,14].因此,可通过L D H 释放实验评估乙烯基类聚合物对供试菌株细胞膜完整性的影响.L D H 活性通过细胞毒性检测试剂盒(南京建成生物工程研究所:A 020-1)进行测定,将培养12h 的纯培养和混合培养物分别在12000g 下离心5m i n ,在离心后的50μL 上清液中加入0.25m L 基质缓冲液(试剂盒配置)和0.05m L 的辅酶Ⅰ应用液(试剂盒配置),混匀后于37℃水浴中孵育15m i n 后再加入0.25m L 的2,4-二硝基苯肼,混匀后于37℃再次水浴15m i n ,再加入0.4m o l /LN a O H 溶液,混匀后室温放置3m i n 后使用分光光度计(上海尤尼柯仪器有限公司,7200)在440n m 的波长下扫描记录吸光度.其中:乳酸脱氢酶释放率(%)=细胞外乳酸脱氢酶含量/(细胞内乳酸脱氢酶含量+细胞外乳酸脱氢酶含量)×100%[15].表1 实验所用皮革化学品信息类别名称编号结构式乙烯基类及纳米复合涂饰剂系列聚丙烯酸酯涂饰剂L J L -2聚丙烯酸酯/纳米Z n O 复合涂饰剂L J L -3+Z n O乙烯基类及纳米复合鞣剂系列P D M -A A -AM -H E A 鞣剂L Y -5溶胶凝胶P D M -A A -AM -H E A /Z n O 鞣剂L Y -8+Z n O注:D M 为二甲基二烯丙基氯化铵,AM 为丙烯酰胺,A A 为丙烯酸,H E A 为丙烯酸羟乙酯.1.4 培养物胞内活性氧水平检测为了阐明乙烯基类聚合物对供试菌株的可能抑制机理,使用2,7-二氯二氰荧光乙酰乙酸盐标记法[16](H 2D C F -D A ,分子探针,I n v i t r o ge n )检测了供试培养物细胞内的活性氧水平,以反映是否存在超氧自由基引起的胞内损伤[17].具体方法:将短期暴露(12h )后培养液经400g 离心5m i n 后,使用0.1M 的磷酸盐缓冲液(p H 7.2)清洗沉淀3~5次.使用0.1M 的磷酸盐缓冲液(pH 7.2)配置终浓度为50μM 的2,7-二氯二氰荧光乙酰乙酸盐溶液,加入清洗后的沉淀并在室温下避光孵育30m i n,之后离心去除上清液,加入含有不同浓度类别乙烯基类聚合物的培养液(pH 7.2)重悬沉淀,转㊃56㊃Copyright©博看网 . All Rights Reserved.陕西科技大学学报第36卷移至96孔板放置5h 后经酶标仪在485n m 激发光和520n m 发射光滤镜下记录产生的二氯荧光素强度,计算活性氧水平.实验数据用O r i g i n8.5进行制图,用S P S S 18.0软件对数据进行单因素方差分析(A N O -V A ),并用B o n f e r r o n i 法在P =0.01的置信水平检验处理组之间的差异显著性.2 结果与讨论2.1 乙烯基类聚合物暴露对培养生境p H 的影响由图1(a )㊁(b )可知,在对克雷伯氏菌纯培养和芽孢杆菌纯培养过程中,分别添加了乙烯基类及纳米复合鞣剂和涂饰剂后的培养液p H 值随时间的变化差异均较小,且稳定在6.7~7.3的范围内,其属于细菌生长适宜p H 范围[18,19],且与空白对照组的p H 变化同样差异不大.因此,乙烯基类及纳米复合鞣剂和涂饰剂聚合物的添加并没有对芽孢杆菌和克雷伯氏菌纯培养体系的p H 产生影响,排除了由于培养过程中p H 的波动对微生物生长的干扰.(a)克雷伯氏菌纯培养(b)芽孢杆菌纯培养图1 添加乙烯基类聚合物的克雷伯氏菌和芽孢杆菌纯培养过程中p H 的变化2.2 乙烯基类聚合物暴露对克雷伯氏菌和芽孢杆菌纯培养和混合培养生长的影响为获得不同乙烯基类聚合物在各暴露浓度下分别对克雷伯氏菌和芽孢杆菌纯培养和混合培养生长的影响,用O D 600n m 值来表示细菌数目变化,即生长量变化.图2为纯培养过程中不同聚合物类型以及不同暴露浓度对克雷伯氏菌生长的影响.由图2(a )㊁(b )可知,L Y -5和L Y -8聚合物对克雷伯氏菌的生长抑制作用随暴露浓度的增加而增加,导致其初始增长期时间增长,当暴露浓度达到1000m g /L 时克雷伯氏菌达到对数生长期的时间分别为10h 和8h (空白对照组为4h ).相比之下,L Y -5聚合物对于克雷伯氏菌的抑制作用较L Y -8聚合物更为明显.由图2(c )㊁(d )可知,当L J L -2聚合物暴露浓度为500m g /L 时对克雷伯氏菌的生长有较为明显的抑制作用,而相同暴露浓度下L J L -3聚合物纯培养的克雷伯氏菌还是具有明显的增长趋势.因此,L J L -2聚合物对于克雷伯氏菌的抑制作用较L J L -3聚合物更为明显且与暴露浓度呈正相关.综合比较乙烯基类及纳米复合涂饰剂和鞣剂系列对于克雷伯氏菌的生长抑制作用发现,前者更为明显.(a )L Y -5暴露下的克雷伯氏菌生长曲线(b )L Y -8暴露下的克雷伯氏菌生长曲线㊃66㊃Copyright©博看网 . All Rights Reserved.第5期朱 超等:乙烯基类聚合物对克雷伯氏菌和芽孢杆菌共培养的毒理效应(c)L J L-2暴露下的克雷伯氏菌生长曲线(d)L J L-3暴露下的克雷伯氏菌生长曲线图2 不同聚合物类型及暴露水平对克雷伯氏菌纯培养生长的影响图3为纯培养过程中不同聚合物类型以及不同暴露浓度对芽孢杆菌生长的影响.由图3(a)㊁(b)可知,不同暴露浓度下L Y-5和L Y-8聚合物对芽孢杆菌的抑制作用相差不大,暴露浓度为1000m g/L下的培养物均在6h时进入对数生长期.因此,芽孢杆菌对L Y-5和L Y-8聚合物均具有较高的耐受性.结合图3(c)㊁(d)发现,当L J L-2和L J L-3聚合物暴露浓度高于100m g/L时对芽孢杆菌的生长就出现明显的抑制作用,当暴露浓度为1000m g/L时芽孢杆菌虽然可以生长,但迟滞期延长,对数生长期缩短,这在L J L-2暴露下表现更为明显.因此,乙烯基类及纳米复合涂饰剂系列对于芽孢杆菌的生长抑制作用较乙烯基类及纳米复合鞣剂系列的更为明显.图4为不同聚合物类型以及不同暴露浓度对克雷伯氏菌和芽孢杆菌混合培养生长的影响.图4(a)为在L Y-5聚合物不同暴露浓度下混合培养物的生长变化趋势,暴露浓度为1000m g/L时混合培养进入对数生长期的时间为4h.图4(b)中L Y-8聚合物各暴露浓度下的混合培养均在4h时进入了对数生长期.对比该系列聚合物暴露下纯培养(a)L Y-5暴露下的芽孢杆菌生长曲线(b)L Y-8暴露下的芽孢杆菌生长曲线(c)L J L-2暴露下的芽孢杆菌生长曲线(d)L J L-3暴露下的芽孢杆菌生长曲线图3 不同聚合物类型及暴露水平对芽孢杆菌纯培养生长的影响㊃76㊃Copyright©博看网 . All Rights Reserved.陕西科技大学学报第36卷进入对数生长期的时间发现,其对克雷伯氏菌和芽孢杆菌混合培养的抑制作用不明显,甚至较纯培养影响更小,说明共培养体系增加了微生物对污染物的耐毒害作用.由图4(c)可知,L J L-2聚合物各暴露浓度下混合培养的生长均没有出现明显的进入生长期的时间点.结合对克雷伯氏菌和芽孢杆菌的纯培养研究结果发现,L J L-2聚合物对纯培养和混合培养具有抑制作用.图4(d)中L J L-3聚合物同样对于混合培养生长具有较强的抑制作用,且不利影响表现为剂量依赖行为.综上所述,混合培养体系可以减轻聚合物对微生物的抑制作用,其中乙烯基类及纳米复合涂饰剂系列对于混合菌的抑制作用较为明显.(a)L Y-5暴露下的混合培养物生长曲线(b)L Y-8暴露下的混合培养物生长曲线(c)L J L-2暴露下的混合培养物生长曲线(d)L J L-3暴露下的混合培养物生长曲线图4 不同聚合物类型及暴露水平对混合培养物生长的影响以上实验结果表明,聚合物类型及不同暴露浓度对不同种群的生长影响有显著差异,乙烯基类及纳米复合涂饰剂系列聚合物对纯培养和混合培养的抑制均较鞣剂系列聚合物更明显,这可能与乙烯基聚合物结构不同有关.乙烯基类及纳米复合涂饰剂系列聚合物含有大量的酯基,疏水性较强[20].乙烯基类及纳米复合鞣剂系列聚合物除含有酯基外还有大量的羟基㊁酰胺基和亲水基团羧基,疏水性较弱,且碳链较长,空间位阻较大[21].因此,具有更高亲脂性的乙烯基类及纳米复合涂饰剂系列聚合物更容易进入微生物细胞,使得细胞内过氧化水平较高.因此,在皮革化学品的开发过程中不仅要考虑其性能还要考虑引入材料或基团的生态效应,开发绿色皮革化学品.2.3 乙烯基类聚合物暴露对混合培养物L D H和R O S的影响L D H是一种广泛用于毒理学和临床化学检测的生物标志物,用于诊断细胞㊁组织和器官损伤[22],其浓度变化反映了受影响组织的代谢活性变化[23].因此通过测定乙烯基类聚合物暴露处理和对照培养液中的乳酸脱氢酶浓度,可以用于评价乙烯基类聚合物对微生物细胞膜的损伤情况.由图5可知,不论是纯培养还是混合培养,暴露处理的培养液中的乳酸脱氢酶浓度与对照相比处于同一水平,没有显著差异.说明此类皮革化学品的毒理效应机制不在于细胞膜损伤.由图6可知,暴露于乙烯基类聚合物的培养物细胞内活性氧的水平相比于空白对照组均有所提高,说明活性氧胁迫是供试化学品微生物毒理效应的主因.其中增长较大的为L Y-5(500m g/L)㊁L Y-5(1000m g/L)㊁L Y-8(1000m g/L)㊁L J L-2(500 m g/L)㊁L J L-2(1000m g/L)㊁L J L-3(500m g/L)㊁L J L-3(1000m g/L),且其大小顺序大致为L J L-3㊃86㊃Copyright©博看网 . All Rights Reserved.第5期朱 超等:乙烯基类聚合物对克雷伯氏菌和芽孢杆菌共培养的毒理效应图5 不同聚合物类型及暴露水平对芽孢杆菌和克雷伯氏菌纯培养和混合培养L D H 释放率的影响(1000m g /L )>L J L -2(1000m g/L )>L Y -5(1000m g /L )>L J L -2(500m g /L )>L J L -3(500m g /L )>L Y -8(1000m g /L )>L Y -5(500m g /L ).由此可见,乙烯基类及纳米复合涂饰剂系列较乙烯基类及纳米复合鞣剂系列的毒性作用更强,两个系列的乙烯基类聚合物的毒性作用均与浓度呈正相关,浓度越高,毒性作用越强.图6 不同聚合物类型及暴露水平对芽孢杆菌和克雷伯氏菌纯培养和混合培养R O S 产率的影响不同种群对聚合物暴露的活性氧水平响应也有显著差异,如暴露于聚合物L Y -5(1000m g/L )㊁L J L -2(500m g /L ㊁1000m g /L )和L J L -3(500m g/L ㊁1000m g /L )的芽孢杆菌纯培养细胞内活性氧水平明显高于克雷伯氏菌纯培养,说明乙烯基类及纳米复合涂饰剂的聚合物对芽孢杆菌的毒理效应较克雷伯氏菌显著.由暴露于乙烯基类及纳米复合涂饰剂系列L J L -3(500m g /L ㊁1000m g/L )的芽孢杆菌纯培养和混合培养可知,混合培养下细胞内的R O S 水平显著低于纯培养体系.整体上,混合培养体系耐受性更强.低水平的R O S 通常是生理上产生的,可以刺激活细胞的一些信号通路[24,25].然而,细胞内过量的R O S 会导致许多有害的影响,包括脂质过氧化㊁D N A 修饰和蛋白质氧化,导致细胞损伤[26].混合培养体系在一定程度上可以减轻该类聚合物的毒害作用,这可能是由于采用混合培养策略能为微生物提供在纯培养时无法获得的物质流交换,如为其提供生长必须的氨基酸[27],使其生长率和降解效率都比纯培养时显著提高[28],显示活性污泥系统对此类皮革化学品具备一定的生物耐受度和相容性.因此,混合培养体系较之纯培养体系对该类聚合物有更好的耐受性.3 结论乙烯基类聚合物的添加并没有对芽孢杆菌和克雷伯氏菌纯培养体系的p H 产生影响,但对克雷伯氏菌㊁芽孢杆菌纯培养和混合培养的抑制作用均呈现剂量-效应关系;乙烯基类及纳米复合涂饰剂系列聚合物较鞣剂系列对克雷伯氏菌和芽孢杆菌纯培养和混合培养的生长抑制更明显;混合培养体系较纯培养体系对聚合物具有更好的耐受性,可以减轻聚合物对其毒理效应;此类化学品的毒理效应机制不在于细胞膜损伤,而在于活性氧的胁迫.本研究表明,此类制革化学品对于活性污泥系统存在潜在毒理效应,应控制排放浓度在100m g/L 下,以减轻对于污水处理系统或者土壤微生物生态的影响.参考文献[1]武文玲.乙烯基类单体接枝共聚改性淀粉/蒙脱土纳米复合材料的研究[D ].西安:陕西科技大学,2012.[2]石 碧.制革化工材料综述之一 制革鞣剂[J ].皮革科学与工程,1995,5(1):40-45.[3]马思佳,顾卓江,丁丽丽,等.碳源对活性污泥微生物细胞膜特性和群落结构影响[J ].微生物学通报,2017,44(3):561-573.[4]杨 倩,蒋阳月,王小军,等.不同区域污水处理厂活性污泥中微生物菌落结构分析[J ].化工进展,2014,33(12):3329-3336.[5]A n t w i P ,L i J ,O po k uBP ,e t a l .F u n c t i o n a l b a c t e r i a l a n d a r c h a e a ld i v e r s i t y r e v e a l e d b y 16Sr R N A g e n e p y r o s e -q u e n c i n g d u r i n g p o t a t o s t a r c h p r o c e s s i n g wa s t e w a t e r t r e a t m e n t i na nU A S B [J ].B i o r e s o u r c eT e c h n o l o g y ,2017,235(7):348-357.[6]R a l p hA.S l e p e c k y ,H.E r n e s tH e p h i l l .T h e g e n u s b a c i l l u s -n o n m e d i c a l [J ].P r o k a r y o t e s ,2006,4(1):530-562.[7]S yl v a i nB .,F r a n c i n eG.,P a t r i c k A.D .G r i m o n t .T h e g e -n u s K l e b s i e l l a [J ].P r o k a r y o t e s ,2006,32(1):159-196.㊃96㊃Copyright©博看网 . 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X-ray_CT在纤维增强聚合物复合材料中的应用研究进展

㊀第41卷㊀第7期2022年7月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.41㊀No.7Jul.2022收稿日期:2020-11-02㊀㊀修回日期:2020-12-17第一作者:李倩倩,女,1994年生,博士研究生通讯作者:李㊀炜,女,1971年生,教授,博士生导师,Email:liwei@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202011001X-ray CT 在纤维增强聚合物复合材料中的应用研究进展李倩倩1,2,李㊀哲1,2,李㊀炜1,2,3(1.东华大学上海高性能纤维复合材料协同创新中心,上海201620)(2.东华大学纺织学院,上海201620)(3.产业用纺织品教育部工程研究中心,上海201620)摘㊀要:X 射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography,X-ray CT)作为一种具有高分辨率㊁非破坏性㊁三维可视化等特征的材料表征测量技术,显示出独特的优势㊂X-ray CT 不仅能得到试样的高分辨率外部特征,还能够获取其详细的内部结构信息,在各个领域已经受到越来越多的关注㊂通过简单比较几种无损检测技术的适用性和局限性,引出了X-ray CT 的独特性,阐述了X-ray CT 的原理以及实验室断层扫描和同步辐射计算机断层扫描(synchrotron radiation computed tomography,SRCT)的特点;从探索纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer,FRP)复合材料的内部结构㊁评估制造过程㊁获取损伤失效演变以及X-ray CT 与其他表征手段相结合等几个方面归纳了X-ray CT 在FRP 中的应用,并提出了X-ray CT 在FRP 研究中的挑战㊂关键词:无损检测;纤维增强聚合物复合材料;X-ray CT;结构分析;损伤分析;原位实验中图分类号:TB332;O434㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2022)07-0525-11引用格式:李倩倩,李哲,李炜.X-ray CT 在纤维增强聚合物复合材料中的应用研究进展[J].中国材料进展,2022,41(7):525-535.LI Q Q,LI Z,LI W.Application Research Progress of X-ray CT in Fiber Reinforced Polymer Composites[J].Materials China,2022,41(7):525-535.Application Research Progress of X-ray CT in Fiber Reinforced Polymer CompositesLI Qianqian 1,2,LI Zhe 1,2,LI Wei 1,2,3(1.Shanghai Collaborative Innovation Center for High Performance Fiber Composites,Donghua University,Shanghai 201620,China)(2.College of Textiles,Donghua University,Shanghai 201620,China)(3.Engineering Research Center of Technical Textile of Ministry of Education,Shanghai 201620,China)Abstract :X-ray computed tomography (X-ray CT),as a high-resolution,non-destructive,3D visualization technology ofmaterial characterization and measurement,shows unique advantages.It can not only provide the high-resolution external characteristics of the sample,but also obtain the detailed internal structure information,which has attracted more and more attention in various fields.This article highlights the uniqueness of X-ray CT by simply comparing the applicability and limi-tations of several non-destructive testing techniques.The principle of X-ray CT and the characteristics of laboratory tomo-graphy and synchrotron radiation computed tomography(SRCT)are mainly described.The application of X-ray CT in fiber reinforced polymer(FRP)composites is summarized from the aspects of exploring the internal structure,evaluating the man-ufacturing process,obtaining the evolution of damage or failure,and combining X-ray CT with other characterization meth-ods.The challenge and development trend of X-ray CT in FRP research are put forward.Key words :non-destructive testing;fiber reinforced polymer;X-ray CT;structure analysis;damage analysis;in-situ experiment1㊀前㊀言纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer,FRP)是由纤维增强体和聚合物基体通过成型固化工艺得到的多相中国材料进展第41卷材料,具有轻质高强㊁耐腐蚀㊁抗疲劳㊁可设计性强等优点,广泛应用于建筑㊁交通㊁海洋㊁风电以及航空航天等领域[1-4]㊂但由于材料本身或制造过程所产生的缺陷,在受到外力作用时会产生纤维断裂[5,6]㊁基体开裂[6]㊁分层[7,8]等损伤,逐渐累积就会导致结构的失效,从而降低工件的实际寿命和使用安全性[6]㊂因此,通过有效的损伤评估方式,研究复合材料的损伤演化和破坏机理,进而揭示复合材料力学性能的影响机制,对于材料的安全性和长期稳定服役具有重要意义[6,9]㊂FRP的损伤是一个三维问题,通常使用的光学和电子显微镜只能观察到其损伤后的表面形态[10],无法获得损伤与时间维度的关系,并且有时会因打磨和切割引起伪影或二次损伤,造成误导,使分析更加复杂化[11-13]㊂而无损检测技术既不改变材料的属性,又不会对试样造成损伤,即可获得材料内部或表面的缺陷和损伤[14],可用于试样的单独检测,也可用于整个生产加工过程的监测,既保持了结构的完整性,又可以检测㊁定位并确定损伤的大小㊂常用的无损检测(non-destructive testing, NDT或non-destructive evaluation,NDE)技术包括目视检测(visual testing,VT或visual inspection,VI)㊁射线检测(radiographic testing,RT)㊁超声检测(ultrasonic testing, UT)㊁渗透检测(penetrate testing,PT)㊁涡流检测(eddy current testing,ET),还有红外热成像(infrared thermogra-phy,IRT)和声发射(acoustic emission,AE)等㊂表1列举了几种无损检测方法的适用范围和局限性[6,14-20]㊂由表1可以看出,大部分的无损检测方法只能检测到大裂缝(大于几毫米),而X射线计算机断层扫描(X-ray com-puted tomography,X-ray CT)可以以亚毫米级,甚至是几微米的空间分辨率观察样品中的裂缝,此外,还能实现对纳米级裂纹进行三维观察[21]㊂因此,较其它无损检测方法而言,X-ray CT具有高的空间分辨率和精确捕获多尺度结构的能力,可实现对细节(包括不同的相㊁界面㊁孔隙和裂缝)清晰的可视化,并能够 原位 监控整个制造过程[22]㊂本文首先介绍了X-ray CT的基本原理㊁原位装置和超高温原位拉伸装置,并简单描述了实验室断层扫描(laboratory tomography)和同步辐射计算机断层扫描(synchrotron radiation computed tomography,SRCT)的区别;其次从利用X-ray CT探索内部结构进而辅助建模㊁评估制造过程㊁获取损伤失效过程以及与其他表征手段相结合这4个方面阐述了X-ray CT在FRP中的应用;表1㊀无损检测方法[6,14-20]Table1㊀Methods of non-destructive testing[6,14-20]无损检测方法适用范围特点局限性目视检测(VT或VI)宏观表面缺陷[15]快速㊁成本低㊁不需要设备[14]不精确,小缺陷很难被检测到,也不能看到内部缺陷,人为因素影响较大[16]射线检测(RT)体积性缺陷检测,如孔隙㊁夹杂㊁纤维屈曲[17]结果真实可靠,呈现方式最直观㊁最全面以及后续可追踪性强[17]使用成本较高,检测速度慢,射线会对人体造成伤害以及面积型缺陷的检出率低[17]超声检测(UT)对面积型缺陷的检出率较高,更适用于厚度较大工件的检验,对缺陷在工件厚度方向上的定位较准确,可检测试件内部尺寸很小的缺陷[17]成本低㊁灵敏度高㊁速度快,设备轻便,对人体及环境无害,设备易于携带[6]分辨率有限,跟踪各种缺陷类型的相互作用或检测隐藏缺陷的能力很差[18],不易检测分层缺陷[8]渗透检测(PT)表面开口裂缝[17]简便㊁方便㊁价格低[17]检测前要清理工件,而且渗透液对试样有污染,不适用于疏松多孔结构[6]涡流检测(ET)工件的裂纹㊁孔洞㊁折叠和夹杂等缺陷的检测[17],材料厚度测量㊁涂层厚度测量㊁热损伤检测㊁热处理检测[15]不需与被测物直接接触,可进行高速检测,易于实现自动化不适用于形状复杂的零件,而且只能检测导电材料的表面和近表面缺陷,检测结果也易于受到材料本身及其他因素的干扰,被测信号难以解释,不能用于不导电材料的检测,无法检测出埋藏较深的缺陷,无法从显示信号中直接判断缺陷的性质[17]红外热成像(IRT)适用于厚度较薄的试样,检测材料近表面及表面缺陷[14,19]便捷㊁高效㊁直观㊁探测面积大以及远距离非接触探测[19]要求工件传热性好,需要敏感且昂贵的仪器,需要高技能的检查员来操作仪器,如果缺陷在零件表面下太深,则缺乏清晰度[14,18]声发射(AE)动态加载过程中的各种损伤及其扩展连续㊁实时检测,并能反映出声发射源在载荷作用下的动态响应特性[20],对工件本身的几何形状要求不高不能检测出未扩展的静态缺陷,而且设备价格昂贵[17],对结果解释很困难,未形成统一的评价标准625㊀第7期李倩倩等:X-ray CT 在纤维增强聚合物复合材料中的应用研究进展最后,总结了X-ray CT 广泛应用于FRP 领域的定性和定量评估,并简单归纳了X-ray CT 在应用中可能遇到的挑战㊂2㊀X 射线计算机断层扫描(X -ray CT )X-ray CT 的基本原理是由于试样内部不同相或者多种成分间的密度以及原子序数的不同,当X 射线透过试样时,试件的不同相或不同成分对X 射线的衰减产生差异,从而造成成像的明暗差别[23,24]㊂X-ray CT 关键在于对不同角度获得的X 光片(投影)的计算重建[25],要从重建图像中获取有效特征,其中一个重要参数就是对比度,对比度是由材料成分的线性衰减系数不同引起的,而线性衰减系数却与材料的密度㊁原子序数息息相关㊂同时分辨率也会影响重建图像的细节水平㊂X-ray CT 的原理示意图如图1所示[25]:X 射线照射到固定在旋转控制台的试样上,每旋转一定的角度,探测器就会采集一张照片,对应于试样旋转的N 个角度会有N 张射线照片被探测器(通常是断层扫描仪中的电荷耦合元件CCD)记录下来(这一过程也称为扫描),重构软件利用这些射线照片获得试样内部衰减系数的三维分布,这种分布形成三维图像,可以使用成像软件进行查看[25]㊂多年来对复合材料损伤模式的研究大多局限在对损伤后的表征,而由于一些特殊的实验环境(如高温)或者是探索机械载荷下样品中缺陷的形成与发展,需要对材料进行原位的观察[25]㊂而原位X-ray CT 可以在载荷下同步获得材料内部结构的变化或损伤演变的过程㊂如图2所示[26],在旋转控制台部位增加了加载控制装置,形成原位加载装置㊂还可以在原位加载装置上实现温度图1㊀X 射线计算机断层扫描的原理示意图[25]Fig.1㊀Schematic diagram of X-ray computed tomography (X-ray CT)[25]场的变化,如图3所示[27],图3a 是原位超高温拉伸试验装置的示意图,分为谐波电动机驱动㊁线性执行器平台㊁负载反馈模块㊁在真空/惰性气体环境下控制超高温的样品室4个部分,载荷由步进电机施加到样品上,而力和位移则使用在线称重传感器和线性可变差动变压传感器进行测量㊂图3b 是加热室的截面图,样品通过水冷却拉伸夹具固定在直径约为170mm 的真空密封室的中心,这个密封室可以抽真空并回填选定的气体(通常为惰性气体),150W 卤素灯分布在6个方位作为热源提供热量,每个卤素灯都有一个指向样品室中心的椭圆形反射镜,形成了直径约为5mm 的球形热区㊂通过使用热电偶对灯的功率进行单独校准来确定热区中被测试样品的温度,样品室中有一个圆柱形铝窗(厚度为300μm,高度为7mm),它可以使X 射线照到样品并透过到X 射线成像系统,如图3c 中X 射线照射模式下的装置示意图[27]㊂图2㊀原位X 射线计算机断层扫描的原理示意图[26]Fig.2㊀Schematic diagram of in situ X-ray computed tomography [26]725中国材料进展第41卷图3㊀原位超高温拉伸试验装置[27]:(a)同步辐射计算机断层扫描原位超高温拉伸测试装置示意图;(b)加热室的截面图, X射线透过加热室和样品的传输路径;(c)X射线照射下的装置示意图Fig.3㊀In situ ultrahigh temperature tensile test rig[27]:(a)schematic illustration of in situ ultrahigh temperature tensile test rig for syn-chrotron X-ray computed microtomography;(b)sectional view of the heating chamber,X-ray transmission path through the heat-ing chamber and sample;(c)schematic of the rig in transmission mode for X-ray computed tomography㊀㊀X-ray CT装置的光源分为同步加速器源提供的平行X射线束和实验室断层扫描仪用几微米宽的微聚焦源提供的锥形X射线束㊂前者称为SRCT,后者称为实验室断层扫描㊂SRCT使用相干光源和平行单色光束,可以达到更高的分辨率,采集时间更短,效率更高,对于低对比度的材料同样适用,但尺度受限制;实验室断层扫描使用多色光源和锥形光束,价格相对较低,可以对较大体积的试样进行多个尺度的研究,但是复合材料的图像会受到相位对比度差和采集时间长的影响[18,24,25]㊂总之,X-ray CT以非破坏性的方式对试样进行高精度的三维检查,不仅可以获得试样内部的详细信息,还可以捕捉制造过程中的缺陷或承载过程中材料的变化,对于研究复合材料的损伤机理和破坏过程是一种非常有效的方法㊂3㊀X-ray CT在FRP中的应用3.1㊀探索FRP的内部结构并辅助建模和验证材料的结构决定它的性能,因此要探究纤维增强复合材料的力学性能影响机制,需要对它的内部结构进行详细了解,同时通过建立材料结构的多尺度模型来对力学性能进行分析及预测[28],复合材料被看作宏观尺度,纱线被认为是介观尺度,而纱线中的纤维就作为细观尺度[29]㊂有限元分析的质量取决于初始模型的质量[30],目前大多数的数值模拟或分析都带有人为的假设,导致模型与材料的真实细观结构存在较大出入[28],因此精确㊁详细的内部结构对于改进复合材料的几何模型㊁评估材料内部缺陷是必要的,对模拟预测复合材料的力学性能具有非常重要的意义,而从X-ray CT图像中获得的信息对此有很大的帮助和参考价值㊂Mahadik等[31]利用X-ray CT研究两种不同结构的三维角联锁机织复合材料的结构特征,以及在不断增加的压力下材料内部结构的变化,主要观察了纱线的屈曲以及富含树脂区域的尺寸和形状㊂刘振国等[23]利用显微计算机断层成像(micro-computed tomography,Micro-CT或μ-CT)对三维全五向编织复合材料的内部结构进行分析,为提高对比度,在碳纤维试件中混编入少量玻璃纤维作为示踪纱,并通过三维重建得到纤维束实体模型,结合计算机辅助设计(computer aided design,CAD)对纤维束的825㊀第7期李倩倩等:X-ray CT 在纤维增强聚合物复合材料中的应用研究进展横截面形状和空间走向进行分析,为进一步研究材料的细观结构模型和性能仿真计算奠定了基础㊂Melenka 等[32]提出了一种圆柱体展开算法,将原始的二维编织管状复合材料的μ-CT 图像转换为扁平的编织物结构图像,以简化编织物几何形状内的单根纱线的分割和分析,同时利用一个自定义的MATLAB 图像处理程序确定了每束纱线的质心㊁横截面积㊁纵横比㊁编织角和编织循环周期,准确评估了编织纱轨迹的几何形状和孔隙含量㊂Sencu 等[33]开发了一套图像处理和分割算法,可以有效地从碳纤维复合材料的X-ray CT 图像中识别纤维中心线(轮廓),从而生成具有高保真度的微尺度有限元模型,图4显示了从X-ray CT 图像切片中分析碳纤维增强复合材料(CFRP)几何结构并生成有限元网格的主要步骤㊂Naouar 等[30]则探索了一种基于图像纹理的分割方法来分离μ-CT 图像中的经纱㊁纬纱和接结纱,该方法适用于内部几何形状众多且复杂的三维织物增强体㊂Huang 等[34]通过Micro-CT 的图像,重建连续纤维增强体的细观几何模型,并将该方法称为Micro-CT AGM,同时开发了名为CompoCT 的软件用作该特定建模过程的平台,主要是结合被观察试样的3个视图对织物中的纱线束进行了手动分割,这与通过标准图像处理技术或从纺织品建模软件获得的模型不同,此方法不需要很高的图像分辨率,被扫描的纤维样品的尺寸可以更大,从而包含一个以上的单胞,可将真实材料更具代表性的几何特征与其内在的变化结合起来,实现了在较低的扫描分辨率(22μm /像素)下准确重构二维机织织物和三维正交织物的细观几何模型㊂Liu 等[35]同样基于X-ray CT 图像,用一种统计分析方法来生成三维五向编织复合材料的代表性体积单元,并考虑了织物的压缩和轴向纱线的加捻,从而更接近织物的真实状态㊂Naouar 等[29]阐述了基于μ-CT 的纺织品复合材料的细观建模技术,包括两种分割方法(结构张量和纹理分析)和织物预制体的变形响应模型以及织物复合材料的损伤模型,指出X-ray CT 是一种适用于织物增强复合材料细观分析的工具㊂陈城华[28]将三维编织复合材料试样进行Micro-CT 扫描,获得切片照片后,通过编程实现对该试样图像的三维重构,再提取代表性单胞用于有限元模拟计算,介绍了一套完整的编织复合材料三维重建流程㊂顾伯洪课题组[36,37]也将X-ray CT 与有限元模拟相结合,主要是利用图像来识别材料内部的损伤,再与有限元模拟的结果进行比较验证,从而分析损伤分布或失效机制㊂正如Naresh 等[22]的总结,分析X-ray CT 的图像生成体素几何来运行模拟,进而研究各种复合工艺参数的过程可以分为3个基本步骤,如图5所示:①预处理,包括对X-ray CT 数据进行滤波和平滑,以增强图像质量,再将这些处理后的图像作为输入数据,通过使用软件包来创建三维结构;②分析,包括分割和特征提取(成分分析),分割是数据分析中必不可少的步骤,可根据其灰度值区分FRP 中的不同成分,比如纤维㊁树脂㊁空气等;③数据可视化,包括结果的映射和渲染,然后验证结果[22]㊂相较于其他无损检测技术,X-ray CT 在探索FRP 的内部结构以及辅助建模中具有很大的优势,可以为复杂的几何形状提供详细的三维信息,包括纱线的屈曲㊁纤维的取向㊁各成分的体积分数㊁有关孔隙的形态信息以及纤维㊁纱线路径的轮廓等,但在图像获取后仍需要进行优化,同时对操作人员的熟练程度以及图像处理能力有很高的技术要求,时间和资金成本也很昂贵㊂此外,这些基于X-ray CT 的建模大多是中尺度或者是细观尺度,而用于理解和辅助宏观几何形状的建模方法有限,并且每个扫描标本的文件大小通常为几GB,需要使用大容量的计算机数据存储设备来存储X-ray CT 扫描和重建的数据[18,22]㊂图4㊀从X-ray CT 图像切片中提取碳纤维增强复合材料(CFRP)几何结构并生成有限元网格的主要步骤[33]Fig.4㊀Main steps to extract the CFRP geometry from X-ray CT image slices and generate finite element (FE)meshes [33]925中国材料进展第41卷图5㊀将X-ray CT的图像用于模拟分析的过程[22] Fig.5㊀Process of using X-ray CT images for simulation analysis[22]3.2㊀评估制造过程不仅结构会决定复合材料的性能,制造工艺也会对复合材料的力学性能产生重要的影响,因此可以利用X-ray CT来跟踪成型制造过程[24]㊂在FRP制造过程中,其压力变形响应影响所需的压实力㊁作用在设备上的应力㊁工具要求和成品质量,对压缩变形的良好认识有助于开发更准确的模型来描述和预测制造过程,从而改进所采用的制备方法[38]㊂Somashekar等[38]通过X-ray CT观察了一种双轴缝合玻璃纤维增强材料在不同工艺参数(最终纤维体积分数㊁压实速度㊁压实次数)压缩后的纤维变形㊂孔隙是复合材料制造过程中产生的主要缺陷之一,Plessix等[39]开发了一种专门的装置并安装在欧洲同步辐射光源(ESRF)的一条专用于超快速X-ary CT的光束线上,以获得原位三维图像,并分析孔隙演化的原位图像与时间㊁温度㊁压力㊁初始含水量和树脂转化率之间的关系,这项工作对原位监测热固性复合材料固化过程中孔隙的产生和发展演变做出了开创性的贡献㊂Dilonardo等[3]采用X-ray CT评估层合结构和夹芯结构的CFRP的孔隙率,此外,具体的数据分析还提供了关于孔隙㊁缺陷或纤维错位的尺寸㊁形状和位置的详细信息㊂而了解树脂流动机理对于通过液体模塑制造具有最小孔隙率的复合材料至关重要, Vilà等[40]设计并建造了一个微型真空注入装置,在德国电子同步加速器研究所(DESY)用X-ray CT对真空辅助渗透的微尺度渗透机制进行了原位研究,微观层面的流体传播以及纤维束内的孔隙传输机制与流体和纤维之间的浸润性㊁流体的流变性以及纤维束的局部微结构特征(局部纤维体积分数㊁纤维取向)有关㊂除了孔隙之外,另一个重要的质量评价参数是纤维的排列,纤维与设计对准角度间的偏差是一种制造缺陷,称为纤维错位, Nguyen等[41]提出了一种基于X-ray CT分析碳纤维增强层压板在低压(真空辅助树脂传递模塑)和高压(高压釜)制造过程中纤维错位的方法,结果表明两种不同成型方法的纤维错位角度分别为1ʎ~2ʎ和2ʎ~4ʎ㊂X-ray CT尽管在空间分辨率和样品尺寸之间存在相互制约,尤其对于大型部件的制造过程来说不好实现评估,但仍可以提供详细的三维信息来评估制造质量,在制造过程的不同阶段生成有价值的信息,并且能够以模型的形式提取该信息,从而更好地理解和改进制造过程,提高FRP的质量和制造效率㊂3.3㊀获取损伤失效过程利用X-ray CT捕获复合材料在载荷作用下的损伤失效过程,对于深入理解复合材料的破坏机理和力学影响机制,进而实现结构优化设计具有重要的理论意义和工程应用价值[42]㊂而纤维增强复合材料在载荷下的损伤主要包括层内裂纹㊁层间分层㊁纤维抽拔和纤维断裂等[5,43,44],损伤的开始和随后的扩展是这些机制的复杂相互作用㊂2008年,Wright等[45]首次使用SRCT来实现航空航天级碳纤维/环氧复合材料损伤的亚微米分辨率,并能在以前观察不到的三维尺度上对损伤的结构和损伤机制的相互作用进行可视化,层内裂纹和分层对纤维断裂的关键作用首次得到明确㊂于颂等[46]利用高分辨率Micro-CT 对三维五向编织非周期性结构复合材料和周期性结构复035㊀第7期李倩倩等:X-ray CT在纤维增强聚合物复合材料中的应用研究进展合材料在拉伸载荷下的破坏形貌进行了观测,并得出非周期性三维编织复合材料拉伸强度比相同结构参数周期性材料的低16.84%,损伤主要是因为在减纱处形成了应力集中,而最终破坏模式以纤维束抽拔断裂为主㊂2011年,Scott等[12]利用高分辨率SRCT捕捉碳纤维环氧树脂[90/0]s缺口层合板加载至失效时的纤维损伤进展,首次对高性能材料在载荷条件下的裂纹扩展进行了直接原位测量㊂如图6所示为原位加载的载荷从失效载荷的20%到80%过程中基体损伤的提取和分割,获得的图像能够识别和量化所使用样本的主要损伤机制㊂之后,很多学者利用自己开发的原位拉伸加载装置对试样的加载过程进行原位观察,这些装置必须满足可以安装在X-ray CT仪器的内部,因此都很小,所以对精度的要求很高㊂Hu等[47]开发的原位拉伸试验装置可对小样品施加微小的力,位移精度约为1μm,测力精度约为0.1mN,获得了高分辨率(0.7μm/像素)的原位观察,显示了随机取向短碳纤维/环氧树脂复合材料的断裂过程㊂Saito等[48]也开发了足够小的定制拉伸装置,它的最大行程和最大力分别为220mm和98N(10kgf),加载速率可在0.01~1mm㊃min-1范围内调整㊂Li等[26]则考虑到(拉伸试验中)夹具的难度和(剪切试验中)夹具的X射线吸收,设计了新型试件,并提出了一种将SRCT㊁原位加载框架和新型试件相结合的实验方法,分别对三维机织碳纤维增强复合材料在平面外拉伸和剪切载荷作用下的损伤演化进行了研究㊂Liu等[49]利用高分辨率的SRCT,通过原位准静态拉伸试验研究了短碳纤维增强复合材料从初始状态到试样断裂的内部三维应变演化过程,首次在三维中同时分析材料微观结构和应变值,并得出短碳纤维/环氧树脂复合材料的宏观性能(刚度降低和破坏过程)与微观特征(应变演化和纤维排列)有关的结论㊂冲击试验的典型特征是持续时间非常短,应变率非常高,这意味着通过原位X-ray CT对其进行成像存在困难[13,24],因此,目前大部分的文献都是利用X-ray CT获取复合材料冲击试验前后的图像来分析其损伤情况㊂En-fedaque等[51]对树脂传递模塑(resin-transfer molding, RTM)制造的碳-璃混杂织物层合板进行低速冲击试验,通过X-ray CT研究了不同厚度和不同玻璃纤维含量的试样在30~245J冲击能量范围的变形和断裂机理,并聚焦于未完全穿透试样的分析㊂Bull等[51]用实验室μ-CT和SRCT对颗粒增韧复合材料层合板低速冲击损伤进行了三维评估,两种成像方法的结合使得可以在微观和细观水平上以常规的体素分辨率观察到颗粒增韧的效果,突出了使用X-ray CT将微观力学损伤行为与宏观力学响应联系起来的潜力㊂虽然X-ray CT可对复合材料冲击损伤后的破坏形貌进行三维可视化,但对于弯曲或变形的复合材料板,很难自动将损坏归因于特定层或层间界面, Léonard等[52]开发了一种X-ray CT数据处理方法,这种距离变换方法允许切片近似地遵循复合曲率,允许在三维上逐层地分离㊁可视化和量化冲击损伤以提取损伤在厚度方向上的分布,这对描述复合材料层合板冲击损伤和从X-ray CT数据集提取相关测量数据的能力有很大的提高㊂Zhou等[53]也用X-ray CT对三维编织复合材料圆管在用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)横向冲击后的损伤进行了研究,通过三维图像分析了冲击速度㊁编织角和编织层数对损伤机理的影响㊂Lu等[13]则通过X-ray CT对热塑性碳纤维/聚醚醚酮复合图6㊀原位加载的载荷从失效载荷的20%到80%过程基体损伤的提取和分割(90ʎ层中的横向层裂纹,从缺口延伸的0ʎ裂口,以及在90/0界面处发生的分层)[12]Fig.6㊀Extraction and segmentation of matrix damage during in situ loading from20%to80%of failure load(transverse ply cracks in the90ʎplies,0ʎsplits extending from the notch,and delamination occurring at90/0interface)[12]135。
原位小角X射线散射研究热拉工艺对熔融拉伸法制备的聚丙烯微孔膜结构的影响

原位小角X射线散射研究热拉工艺对熔融拉伸法制备的聚丙烯微孔膜结构的影响王卫;徐佳丽;林元菲;李薛宇;孟令蒲;李良彬【摘要】采用原位小角X射线散射和扫描电子显微镜研究了热拉过程中,拉伸比和拉伸温度对熔融拉伸法制备的聚丙烯微孔膜晶体和孔洞结构的影响.研究结果表明,冷拉、热定型过程中片晶簇被分离开,其内部结构在热拉过程中不发生分离等变形;随着热拉拉伸比的增加,片晶簇间架桥长度不断增大;与冷拉、热定型样品相比,热拉后的微孔膜架桥沿垂直于拉伸方向具有较好的周期性.不同的拉伸温度结果表明,架桥长度随拉伸温度升高而增加;温度过高时架桥会发生熔融.%With in situ small angle X-ray scattering and scanning electron microscopy measurements, effects of hot stretching temperatures and draw ratios on the lamellae and pore structure of the polypropylene microporous membrane were studied. The results show that the lamellar clusters are separated during the cold stretching and heat setting process, while the internal structures do not undergo separation during the hot stretching process. With the increase of the hot stretching ratio, the bridge length of microporous membrane after hot stretching process increases substantially. Also, it has better periodicity along the equatorial direction compared with the cold-stretching and heat-setting samples. The results of different stretching temperatures show that the length of the bridge increases with the increase of the stretching temperature. When the temperature is too high, the bridge will partially melt. This work can provide guidance for the structural control during preparation of polypropylene microporous membranes.【期刊名称】《高等学校化学学报》【年(卷),期】2017(038)011【总页数】7页(P2128-2134)【关键词】聚丙烯微孔膜;原位小角X射线散射;冷拉-热定型-热拉;微孔;片晶簇【作者】王卫;徐佳丽;林元菲;李薛宇;孟令蒲;李良彬【作者单位】石河子大学化学化工学院,新疆兵团化工绿色过程重点实验室,石河子832003;石河子大学化学化工学院,新疆兵团化工绿色过程重点实验室,石河子832003;中国科学技术大学国家同步辐射实验室,合肥230029;中国科学技术大学国家同步辐射实验室,合肥230029;中国科学技术大学国家同步辐射实验室,合肥230029;中国科学技术大学国家同步辐射实验室,合肥230029【正文语种】中文【中图分类】O631在聚合物的熔融拉伸中, 热拉阶段是一个复杂的过程, 其中, 片晶厚度减小, 架桥数量增多, 可能的原因是一些片晶熔融重结晶形成了架桥, 高分子折叠链解开并且重新取向[1]. 另一方面, 一些孔洞在冷拉后看不见, 而孔洞在热拉过程中被扩大. 升高温度, 熔融的高分子链会以一种动态的形式解缠结, 但温度并不能改变缠结点之间的平均长度及缠结链段的长度, 或者是缠结的密度. 在晶体结构中链段经过解缠结从片晶间的无定形区抽出. 随着温度的降低, 半结晶聚合物的片晶间无定形区的缠结密度能够保持不变甚至增加. 通常认为半结晶聚合物的机械性能与其结晶度有关, 也和片晶间无定形区的系带分子链(tie链)的浓度分布相关. 在这些变量中, 由于tie 链不容易通过实验测量或者通过理论预测, 所以容易给研究造成错觉. Feng等[2]通过假设片晶间非晶区的缠结网络直接影响tie链的形成, 推断它对微孔膜整体机械性能和孔洞的形成起重要作用. 由此片晶间无定形区域中缠结链段的密度可能高于最初的非晶态; 温度无法改变片晶间缠结链段的密度, 但是可以改变链段的流动性. 拉伸比低于200%, 温度为130 ℃时, 较强的架桥结构会导致主熔融峰右侧出现小肩峰, 与冷拉样品相比, 热拉会产生更多架桥, 在高温条件下由于主链解开, tie链会不受限制, 被拉伸结晶成为架桥, 这一过程中退火和冷拉都不涉及. 同时一些链段也会从片晶中拉出, 所有这些会导致架桥的增加. 在热拉过程中断裂的架桥会被其它稳定的架桥合并, 一些架桥会相互黏附, 最终形成稳定的架桥, 有利于孔结构的稳定. 熔融拉伸法制备微孔膜工艺流程: (1)在拉伸冷却外场下制备具有高度取向的平行排列片晶结构的预制膜; (2)对预制膜进行退火处理, 消除微缺陷和增加片晶厚度; (3)冷拉诱发微孔产生, 热拉使微孔不断扩大[3]. 该工艺具有环保、无污染及微孔结构均匀可控等优点, 是目前锂电池微孔隔膜工业加工使用最多, 也是最成熟的工艺. 在微孔膜制备过程中, 原料参数[4~6]、挤出-流延工艺[7,8]、退火工艺[9,10]和后拉伸工艺[11,12]对微孔膜结构和性能具有重要影响.我们曾深入研究了挤出流延过程中流延拉伸比和流延辊温等参数对预制膜力学性能及微孔膜结构与性能的影响[7,8], 揭示了冷拉过程中微孔形成机理[13]. 本文报道热拉工艺条件对聚丙烯微孔膜晶体结构和微孔结构的影响. 通过原位小角X射线散射技术(in situ SAXS)研究热拉过程以及热定型、降温过程中, 拉伸方向的片晶厚度以及长周期的变化, 再结合离线扫描电子显微镜中片晶簇平均厚度和架桥平均长度, 建立热拉拉伸比、温度与微孔膜微孔结构、微孔形貌的关系.1.1 样品与仪器采用扫描电子显微镜(SEM, Sirion200, FEI公司)对样品的表面形貌进行表征, 样品在真空中喷金60 s, 加速电压为5.00 kV.等规聚丙烯(iPP)流延膜由广东工业大学雷彩红提供. 预制膜通过挤出、拉伸、热定型制备. 口模温度为210 ℃, 拉伸比为125, 冷却辊的温度为80 ℃.图1分别是自制恒幅宽单向拉伸装置和聚丙烯微孔膜的实物图. 恒幅宽单向拉伸装置具备力学数据采集、拉伸条件精确控制、以及与X射线联用进行原位结构检测等功能[14]. 该装置通过伺服电机驱动正反向滚珠丝杠带动夹头向两侧匀速运动, 对样品施加均匀拉伸, 同时保证X射线始终从样品中央位置入射. 应力信息通过BK-2A 型传感器(中国航天空气动力技术研究院)采集. 装置腔体通过热风加热, 能够在较短的时间内升温至设定温度, 并维持其温度的稳定.小角X射线散射(SAXS)可用于在线研究晶体形态随拉伸的演变过程. 本实验使用的仪器是自行研制的二维(2D)SAXS仪[15]. 30 W微焦点X射线源(Incoatec, GmbH)经单色化后得到Cu Kα射线(λ=0.154 nm), 提供高平行光束(发散度约1 mrad). 多丝正比探测器(Bruker Hi-star)记录X射线散射光强, 探测面积为1024×1024像素点(每个像素点的尺寸为105 μm). 样品到探测器的距离为2883 mm. 通过测定和扣除SAXS数据的背底散射, 将散射矢量的模q作为横坐标对二维的散射图样进行径向积分, 得到一维散射强度分布曲线. 由于SAXS是基于周期性的密度差来进行测量的, 因此利用公式L=2π/q计算得到长周期L, 它包含晶区和非晶区的厚度, q为峰位[16].1.2 样品膜的制备聚丙烯预制膜在135 ℃真空干燥箱(DZF-6050型)中退火处理12 h后, 裁剪成大小为20 mm×20 mm×0.019 mm(L0×L0×H)的样条. 采用自制恒幅宽单向拉伸装置将预制膜拉伸至30%应变, 拉伸温度为室温(25 ℃), 拉伸速度为20 mm/s; 将拉伸后的样品在135 ℃热定型20 min, 然后进行如下操作:(1) 在温度135 ℃, 以0.2 mm/s的拉伸速度, 热拉伸至不同应变(100%, 150%, 200%和 250%); 随后样品均在140 ℃热定型20 min, 再将温度降至室温. 4个样品分别定义为L0.3R1.0, L0.3R1.5, L0.3R2.0和L0.3R2.5.(2)将拉伸温度分别设定为127, 135和153 ℃, 以0.2 mm/s的拉伸速度热拉伸至150%, 分别于128.3, 136.8及154.5 ℃热定型20 min, 将样品温度降至室温. 为了便于描述, 将样品分别定义为W127, W135和W153.2.1 不同热拉拉伸比对聚丙烯微孔膜结构的影响图2为不同应变的热拉以及相应的热定型、降温过程中采集到的二维SAXS散射图样. 热拉过程L0.3R1.0, L0.3R1.5, L0.3R2.0, L0.3R2.5的采集时间分别为120, 180, 240, 300 s. 热定型和降温过程采集时间相同. 可以看出, 热拉、热定型及降温过程中, 在垂直于拉伸方向具有尖锐的散射信号, 表明微孔膜中生成了沿拉伸方向取向的微孔和纤维晶架桥.图3为不同拉伸比的微孔膜的电镜照片. 可以观察到不同热拉拉伸比制得的微孔膜的骨架片晶簇的厚度相差不大, 架桥长度却相差较大. 对微孔膜L0.3R1.0, L0.3R1.5, L0.3R2.0, L0.3R2.5以及冷拉热定型样品L0.3的电镜照片中架桥的长度和片晶簇厚度进行数据统计(如图4), 结果表明, 不同样品片晶簇的厚度基本相同, 而片晶簇间架桥长度从40 nm(冷拉热定型样品)增加至230 nm(L0.3R2.5).微孔膜沿着水平方向的无定形和晶体区域的平均厚度可通过电子密度分布相关函数K(z)[17,18]得到:式中: z为拉伸方向; I为散射强度.图5为通过一维相关函数得到聚丙烯微孔膜的片晶长周期(L)和片晶间无定形区厚度(da). 通过DSC计算所有微孔膜结晶度均大于50%, 因此得到的较小值da为无定形厚度, 片晶的厚度为将得到的片晶的平均厚度、长周期以及架桥的平均长度、片晶簇的平均厚度进行对比(图4), 结果表明, 片晶簇的厚度以及片晶长周期和片晶厚度几乎相同, 说明热拉过程中片晶簇内的无定形区没有发生形变, 片晶簇中片晶的数目也变化不大. 因此, 冷拉热定型过程中被分离开的片晶簇在热拉过程中几乎不会发生变化, 只是片晶簇进一步分离, 连接片晶簇之间的架桥在拉伸作用下进一步变长.对冷拉热定型与热拉制得的微孔膜SAXS图样进行竖直方向的强度积分, 可得到一维积分强度曲线(图6). 与冷拉热定型样品相比, 热拉后的微孔膜在竖直方向散射峰更明显、强度更大, 表明热拉可诱导生成周期性更好的架桥结构, 且架桥数量更多. 对比不同的热拉拉伸比, 可以看出, 随着拉伸比的增加, q值变小, 长周期变大, 说明随热拉拉伸比增加, 部分架桥断裂导致长周期性变大.2.2 不同热拉温度对聚丙烯微孔膜结构的影响图7为不同热拉温度时热拉、热定型及降温过程中二维SAXS散射图. 图中所有样品的采集时间相同.表1为不同拉伸温度下各阶段的水平方向上的片晶长周期和晶体的平均厚度统计结果. 可以看出, 在热拉、热定型和降温阶段, 拉伸温度对微孔膜片晶长周期、片晶厚度影响不大.图8(A)~(C)为相同拉伸比不同热拉拉伸温度制备的微孔膜的SEM照片. 将图8(A)~(C)中的架桥长度和片晶簇的厚度进行统计, 结果如图9所示. 随着拉伸温度升高, 连接片晶簇之间的架桥长度逐渐增加, 而片晶簇的平均厚度则变化不明显. 微孔膜热拉过程中, 片晶簇和片晶簇间无定形为串联结构, 其承担的应力相同. 由于片晶簇的刚性较好, 拉伸过程中片晶簇间无定形区承担主要的应变, 架桥长度不断增加. 随着拉伸温度升高, 片晶簇间无定型区的刚性与片晶簇相差更大, 无定形区承担的应变增大, 其结果是架桥长度随拉伸温度升高而增大.图10为不同热拉温度拉伸, 再经降温得到的微孔膜垂直于拉伸方向的SAXS小角积分曲线. 可以看到, 在127和135 ℃下热拉时, 架桥沿垂直于拉伸方向呈周期性排布. 当热拉温度过高(153 ℃)时, 架桥部分熔融导致长周期增大, 超出了实验所用SAXS设备的探测范围.利用熔融拉伸法制备了聚丙烯微孔膜, 通过SAXS和SEM研究了热拉过程中拉伸温度、拉伸比对微孔膜的晶体、架桥结构和微孔形貌的影响. 研究结果表明, 冷拉、热定型过程中片晶簇被分离开, 其内部结构在热拉过程中不发生分离等变形; 随着热拉拉伸比的增加, 片晶簇间架桥长度不断增大; 与冷拉、热定型样品相比, 热拉后的微孔膜架桥沿垂直于拉伸方向具有较好的周期性. 不同的拉伸温度结果表明, 架桥长度随拉伸温度升高而增加; 温度过高时架桥会发生熔融. 本工作可为聚丙烯微孔膜制备过程中结构控制提供指导.感谢中国科学技术大学国家同步辐射实验室和广东工业大学材料与能源学院提供的帮助.† Supported by the National Natural Science Foundation ofChina(No.21267020) and the China Postdoctoral ScienceFoundation(No.2017M612087).【相关文献】[1] Park I., Noether H., Colloid Polym. 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聚丙烯水相接枝马来酸酐反应及产物应用的研究的开题报告

聚丙烯水相接枝马来酸酐反应及产物应用的研究的开题报告题目:聚丙烯水相接枝马来酸酐反应及产物应用的研究1. 研究背景及意义聚丙烯作为一种广泛应用的合成聚合物,在塑料、纺织、医疗、包装等领域都有着重要的应用。
然而,由于其两亲性较低,在一些应用中需要更好的表面活性和亲水性。
因此,对于聚丙烯进行功能化改性,制备性能更优异、多样化的材料,具有重要的研究意义和应用价值。
马来酸酐是一种常见的反应单体,具有良好的亲水性和化学活性。
将马来酸酐接枝在聚丙烯上,可以增加聚丙烯的表面活性和亲水性,从而拓展其应用范围。
然而,由于聚丙烯的疏水性,其水相接枝反应比较困难,需要寻找合适的反应条件和方法。
因此,本研究旨在探究聚丙烯水相接枝马来酸酐反应的最优条件,并对其产物进行表征和应用研究,为制备高性能、多功能的聚丙烯材料提供新的思路和方法。
2. 研究内容与方法本研究的主要内容包括:(1)寻找聚丙烯水相接枝马来酸酐反应的最优条件,包括反应温度、反应时间、单体用量、引发剂用量等参数的影响。
(2)对接枝产物进行表征,包括峰值表征、红外光谱分析、核磁共振分析等。
(3)评价接枝材料的性能,包括表面活性测定、亲水性测定、抗菌性能测定等。
本研究将采用以下方法:(1)聚丙烯水相接枝马来酸酐反应的实验设计和操作,通过响应面法等方法寻找最优反应条件。
(2)对接枝产物进行峰值表征、红外光谱分析、核磁共振分析等表征方法,确定接枝产物的结构和化学组成。
(3)评价接枝材料的性能,包括表面活性测定、亲水性测定、抗菌性能测定等方法,探究其性能与聚丙烯、马来酸酐、引发剂等因素的关系。
3. 预期研究结果与创新点本研究预期能够得到以下研究结果:(1)掌握聚丙烯水相接枝马来酸酐反应的最优条件,实现高效制备接枝材料。
(2)得到具有一定结构和化学组成的接枝产物,并对其进行系统表征。
(3)探究接枝材料的性能与制备条件、结构、化学组成等因素的关系,为接枝材料的设计和应用提供理论依据和实验支持。
预辐照聚丙烯无纺布共接枝丙烯腈和丙烯酸的研究

第23卷 第4期 辐 射 研 究 与 辐 射 工 艺 学 报 V ol.23, No.42005年8月 J. Radiat. Res. Radiat. Process. August 2005——————————————国家863计划基金(2002AA245091)资助第一作者:耿建暖,女,1979年10月出生,2002年毕业于陕西师范大学食品工程系,现为陕西师范大学在读研究生,研究 方向,现代果汁加工 通讯联系人:仇农学收稿日期:初稿 2004-06-29,修回 2005-03-08预辐照聚丙烯无纺布共接枝丙烯腈和丙烯酸的研究耿建暖1 仇农学1 王鹏飞2 闫 龙21(陕西师范大学食品工程系 西安 710062)2(陕西师范大学化学与材料学院 西安 710062)摘要 研究了在空气条件下丙烯腈和丙烯酸在预辐照聚丙烯无纺布上的共接枝反应,以及预辐照吸收剂量、接枝反应温度、反应时间、单体浓度及比例和摩尔盐浓度对接枝率的影响。
结果表明,接枝的最佳条件为:反应温度75℃,反应时间4h ,单体浓度50%。
并对接枝前后的聚合物进行了红外光谱分析。
关键词 预辐照,接枝反应,聚丙烯无纺布,丙烯腈,丙烯酸 中图分类号 TQ316.313螯合纤维是一类多配位型聚合物,是近年来发展起来的一种新型离子交换纤维,其吸附金属离子具有选择性高、易洗脱、容易再生等优点,广泛应用于从水溶液中回收、浓缩、富集和分离金属离子。
利用辐照接枝的方法,可以在高分子基体材料上连接具有螯合作用的基团,用以吸附水溶液中的金属离子,其中接枝是一重要步骤。
预辐照接枝具有普通辐射化学的一般特点,即纯洁性、准确性、工艺简单、节省能源等,与共辐照接枝方法相比,是一种有发展前途的接枝改性技术。
国内外一些研究人员利用聚乙烯(Polyethylene ,PE )纤维、聚丙烯(Polypropylene ,PP )纤维、聚氯乙烯(Polyvinyl chloride ,PVC )纤维等为基材,通过辐照接枝不同的络合剂,得到螯合纤维。
悬浮液沉积法制备X射线多晶粉末衍射样品

Material Sciences 材料科学, 2019, 9(7), 678-683Published Online July 2019 in Hans. /journal/mshttps:///10.12677/ms.2019.97085Preparation of X-Ray PolycrystallinePowder Diffraction Samplesby Suspension DepositionLiyu Hao1, Tie Yang1, Ming Tan2*1School of Physical Science and Technology, Southwest University, Chongqing2College of Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou HenanReceived: June 24th, 2019; accepted: July 9th, 2019; published: July 16th, 2019AbstractX-ray powder diffraction plays an important role in material research. However, the accuracy of experimental data is not high because of the problems of large thickness, uneven surface and pre-ferred orientation of particles. This makes it difficult to accurately measure the cell parameters and so on. In this paper, a method of preparing samples by suspension deposition is introduced.The apparatus used in this method is simple and the preparation process is also simple and fast. It can effectively avoid the problems of large thickness, uneven surface and preferred orientation of particles.KeywordsX-Ray Powder Diffraction, Sample Preparation Method, Suspension Deposition Method悬浮液沉积法制备X射线多晶粉末衍射样品郝立宇1,杨铁1,谭明2*1西南大学物理科学与技术学院,重庆2河南农业大学理学院,河南郑州收稿日期:2019年6月24日;录用日期:2019年7月9日;发布日期:2019年7月16日摘要X射线粉末衍射在材料研究中有着重要应用,但是通常制备的X射线粉末衍射样品由于存在厚度较大、厚*通讯作者。
X—ray光电子能谱研究烷基水杨酸盐金属清净剂中金属化合物的存在形式

收稿 日期 :0 70 —3 修 改 稿 收 到 日期 :0 70 —0 2 0 52 ; 20 71 。 作 者 简 介 : 亚 斌 , , 级 工 程 师 , 士 , 要 从 事 石 油 产 品 周 男 高 硕 主
分从烷 基水 杨酸 盐金 属清 净剂 中分 离 出来 , 去 除 在 溶剂 石油醚 后 , 属化 合 物 组 分转 化 为 固 体样 品 , 金
2 实 验
润 滑 油清 净 剂是 现 代 润滑 工业 中不 可缺 少 的
添 加剂 , 其用 量 占添 加 剂 总 量 的 2 以 上 。随 着 o
汽 车工业 的迅 猛发展 , 清净剂 碱值 的要求越 来越 对
高 。探清 烷基 水 杨 酸盐 金 属 清 净剂 高 碱值 的来 ] 源和 机 理 是 非 常 有 意义 的工 作 [a, aJ 为此 , 必 要 , 有 对 烷基 水杨 酸盐 金 属 清净 剂 中金属 化 合 物 的具 体
存 在形 式进 行分析 。
2 1 仪器 、 . 试剂 与材 料
光 电子 能 谱 仪 : HI 7 2型 X S多 功 能 表 P - 0 5 P
面分析 系统 , 国 P 公 司 ; 子 吸 收光谱 仪 : 美 HI 原
ANAL T 1 0型 , 国 P YS 一0 美 E公 司 。
传统 的电位滴 定 法 _ 可 以测定 烷 基 水 杨 酸 盐 4
保 留在 膜 内 。采 用 X ry 电子 能 谱 仪 测 定 固 态 金 属 化 合 物 的 电子 结 合 能 , 实 了 烷 基 水 杨 酸 钙 —a 光 证 金 属 清 净 剂 中钙 化 物 以碳 酸 钙 、 氧 化 钙 、 基 水 杨 酸 钙 三 种 形 式 存 在 , 基 水 杨 酸 镁 金 属 清 净 剂 氢 烷 烷
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X-ray investigation of polypropylene and poly(ethylene-co-vinyl acetate)blends irradiated with fast electronsWAXS investigation of irradiated i-PP/EVA blends M.Mihailova a,*,M.Kresteva a,N.Aivazova a,V.Krestev a,E.Nedkov ba University of So®a,``St.Kliment Ohridski'',Faculty of Physics,Department of General Physics,5James Bourchier Blvd,1126,So®a,Bulgariab Central Laboratory of Polymers,Bulgarian Academy of Science,1040,So®a,BulgariaReceived26February1997;accepted18September1997AbstractBlends consisting of poly(propylene-ethylene)(PP)and poly(ethylene-co-vinyl acetate)(EVA)copolymers were investigated.Specimens were irradiated with fast electrons at di erent doses.Some of the samples show thermo-shrinkable properties.The interplanar spacing,paracrystalline factor,degree of crystallinity and crystallite sizes were determined by WAXS measurements.Results have been reported in respect to PP content and irradiation dose.A decrease of the crystallite's imperfections with the rise of the irradiation dose was observed.An interface built up of partially interpenetrated amorphous molecular chains of incompatible polymers and separate PP and EVA small crystallites is suggested.#1999Elsevier Science Ltd.All rights reserved.Keywords:Polymer blends;Irradiated polymers;Poly(propylene-ethylene);Poly(ethylene-co vinyl acetate);X-ray investigations1.IntroductionThe formation of thermo-shrinkable polymer®lms can be achieved by several technological processes. Each process causes changes in the material structure, in¯uencing the®nal properties of the®lm.The most important factors,determining the physical properties of polymer blends,are the degree of compatibility between the respective components and their mor-phology.Even in the case of completely incompatible polymers,such as PP and EVA,an interface layer can be created that a ects the mechanical properties of the blends.When the sizes of the dispersed particles are very small,the volume of interface regions can be sig-ni®cant.(Sperling,1984;Lipatov and Sergeeva,1979). To the best of our knowledge,there are only a few papers on the super-molecular structure of these blends.Thomas et al.(1987)have studied the mor-phology and mechanical properties of blends of i-PP and EVA with45wt%VA groups,irradiated with g-rays.They have found the maximum elongation and energy at break in the samples with30/70wt%PP/ EVA and irradiation dose of100kGy.The highest interpenetration between elastic and plastic phases has been proposed for the same composition and dose. The authors have suggested that irradiation cause cross-linking in the EVA phase and that cross-scission of polymer chains takes place predominantly in the PP phase.Minkova and Nikolova have investigated extruded®lms with di erent contents of PP and EVARadiation Physics and Chemistry56(1999)581±5890969-806X/99/$-see front matter#1999Elsevier Science Ltd.All rights reserved.PII:S0969-806X(97)00292-/locate/radphyschem*Corresponding author.E-mail address:krestev@phys.uni-so®a.bg(M.Mihailova)with 33wt%VA groups,irradiated with fast electrons,by DSC and thermomechanical tests (Minkova and Nikolova,1989a,b).They have found that the tempera-tures of melting were independent of the contents of the blends and decreased slowly with the rise of the ir-radiation dose and that irradiation from 53to 120kGy leads to the formation of 50±60%gel fraction.Samples with higher EVA concentration show a higher cross-link density at a given irradiation dose.The tem-perature interval of thermo-shrinkage spans from the beginning of EVA melting (80±908C)to the beginning of i-PP melting (1308C).The authors cited above have not considered the crystal structure and morphology of these blends.The aim of the present work is a structure investi-gation of extruded ®lms,composed of i-PP and EVA,and elucidation of the in¯uence of the composition and irradiation dose on the ®lm structure at di erent structural levels as well as to analyse the changes of the interface layer thickness with irradiation dose.2.Materials and methodsThe polymer ®lms studied were blends of poly(pro-pylene-ethylene)(PP),Buplen 7623(Bulgaria)and poly(ethylene-co-vinyl acetate)(EVA),Lupolen V5510SX (BASF),Lupolen V5510SX is a copolymer of ethylene with 33wt%vinyl acetate (VA).Buplen 7623is an i-PP/E copolymer containing up to 10wt%ethylene groups.The sample compositions are pre-sented in Table 1.All the blends contain 0.15wt%of stabiliser,com-prising 0.05wt%2,6-diter-buthyl-4-methylphenol and 0.1%Irganox 1010(thermostabiliser of Ciba Geigy,Switzerland).Melt blending of the granules was carried out on a Brabender plasticoder at 2258C.Tubular ®lms extruded at 1908C and rapidly cooled to room tem-perature.All samples were irradiated in a linear elec-tron accelerator (E-250,Russia)in air,with doses of 53,83,100,113,166kGy.An X-ray study was carried out with Co K a radi-Table 1Composition of the blends Sample No.Buplen 7623(wt%)Lupolen V5510SX (wt%)1010021089.8533069.8545049.8556039.8520Scattering angle,I n t e n s i t y [i m p /s ]1816141210863002001000110(p p )040(p p )130(p p )200(p e )200(p p )220(p p )111+131+041(pp)+110(pe)Fig.1.X-ray di ractogram of an unirradiated sample containing 60wt%PP.Experimental data (thick line),®tted data (individual curves).The di use scattering has been subtracted.M.Mihailova et al./Radiation Physics and Chemistry 56(1999)581±589582ation(Fe®lter)under conditions of symmetrical trans-mission.Co radiation was used for the better separ-ation of the peaks.For the elimination of orientation e ects,the specimens were rotated rapidly around an axis perpendicular to the plane of the®lm. Corrections,such as Lorenz,polarisation and absorp-tion factors,were applied and the di racted intensities were calculated by using the following formula:I P s a P I L a ÈD exp ÀD a cos YÉ1where I L is the di racted intensity,corrected for Lorenz and polarisation factors;D is the X-ray optical density of the specimen,P s is the di racted intensity of a standard at®xed experimental conditions and P is the same intensity measured immediately before each scanning of the sample.The optical density D was measured for each specimen(Alexander,1969a).The di racted intensities thus corrected can be considered as absolute and their values can be compared quanti-tatively.The FIT software(Petrov and Bakaltchev,1990)was used for peak centre®nding,calculation of integral intensity and determination of di use scattering. Experimental peaks were®tted with the Gaussian func-tion.The base line was approximated with a second-order polynomial.The strongest peak in the X-ray diagrams(Fig.1)is a superposition of peaks of PP111,131,041and the most intensive re¯ex110of PE.The best separated peaks are110of PP and200of PE.The crystal sizes, interplanar spacings and integral intensities of the samples with di erent contents of PP and irradiation doses were determined.The values of crystal sizes of EVA were calculated using Scherrer's equation.The interplanar distances were calculated with a precisionof20.002nm.Two clearly expressed peaks in the same crystallographic direction were observed for PP:110 and220.This observation was used for the separation of the peaks broadening caused by the e ects of para-crystallinity and of the small crystal sizes(Alexander, 1969b):B cos Y 2 1a L2hkl p g II 4m4a d2hkl 2where B is the width at half peak height,L hkl is the crystal size in the hkl direction,g P is the paracrystal-line factor de®ned as g P=D d/h d hkl i,m the order of dif-fraction.The most probable distance between molecular seg-ments of d am in the amorphous regions was obtained from the maximum of the amorphous halo according to Bragg's law.The degree of crystallinity was calculated using the method of Matthews(Matthews et al.,1949):X c I cr a I cr I am X 3Taking into account the di use scattering,the degree of crystallinity was computed using the equation:X c I cr a I dif I cr I am 4where I cr is the total integral intensity of the crystalline phase,I am the total integral intensity of the amorphous phase and I dif is an integral intensity of the di use scattering.3.Results and discussionX-ray di raction patterns obtained for®lms of in-itial unirradiated components are presented in Fig.2. Obviously,EVA is in the amorphous state and PP is in a``smectic''form(Stoyanov et al.,1989;O'Kane et al.,1994).At the same time,the X-ray patternsreveal Fig.2.X-ray di ractograms of pure components:(a)EVA, (b)PP.M.Mihailova et al./Radiation Physics and Chemistry56(1999)581±589583crystal peaks for all blends of EVA and i-PP (Fig.1).Generally,the PP is represented by a -monoclinic modi-®cation (Turner-Jones et al.,1964).All peaks of PP are shifted to smaller angles.The amount of g -phase is negligible,because its strongest peak 020is very weak even for samples with the highest content of PP.Re¯ections 110and 040of the a -phase are clearly recognised for all samples (Fig.1).Other peaks (130,131,200and 220)are also observed practically for all samples.b -Phase of i-PP is not detected.The most common orthorhombic crystals of poly-ethylene (Wunderlich,1973;Kavesh and Schultz,1970)are revealed by 110and 200re¯ections (Fig.1).The monoclinic phase (Wunderlich,1973)appears in some samples with very weak 200and 201re¯ections.Neither the interplanar spacings d 110of PP nor d 200of PE depend on the composition of the blends or on the irradiation dose.The calculated average interplanar spacing d 110of PP and d 200of PE are 0.632nm and 0.375nm respectively.The values are higher than those observed for the homopolymersÐ0.629nm for PP (Lotz et al.,1986;Turner-Jones et al.,1964)and 0.370nm for PE (Kavesh and Schultz,1970).Since both investigated polymers are copolymers,the pre-sence of a great number of crystal defects leads to an increase of the interplanar spacing.The lattice constant a of EVA,calculated from the 200orthorhombic re¯ection,is a =0.750nm and is higher than that for pure PE (a =0.741nm).Other authors have also found an increase of the a -axis with the VA-content (Kortleve et al.,1972;Bodily and Wunderlich,1966).It has been supposed that acetate groups form amorphous defects,involved in the crys-talline regions.Bodily and Wunderlich (1966)have suggested that these defects comprise seven CH 2-groups per acetate group,in addition to the branch point and the acetate group.According to Kortleve et al.(1972),at least 30%of the overall concentration of side groups are included in the crystalline regions.Crystallite sizes L 110and the paracrystalline factor g P of PP,calculated by Eq.(2),are given in Table 2.The crystallite sizes are of about 20nm.The average size of the crystallites of the irradiated samples is higher than that of the non-irradiated ones.The para-crystalline factor slightly increases with PP content at a constant dose.It is relatively low and varies from 0to 4%.The crystallite size of EVA crystals is calculated according to the Scherrer formula.The size varies by about 17nm and is not a ected signi®cantly by the concentration of PP and irradiation dose.The degree of crystallinity obtained from DSC measurements is about 30%,while the degree of crys-tallinity calculated from WAXS measurements,taking into account the di use scattering,is very high (50±60%).If the degree of crystallinity is computed accord-ing to Eq.(4),the value is almost the same as that cal-culated from DSC.As cited above (Kortleve et al.,1972;Bodily and Wunderlich,1966),the defects in the EVA crystals could be considered as micro-amorphous areas in the crystal lattice,resulting in an increase of the X-ray di use scattering (Cowley,1975).For this reason,the di use scattering should be taken into account,when the degree of crystallinity is calculated from WAXS measurements.Degree of crystallinity vs PP content is plotted in Fig.3.The degree of crystalli-nity decreases linearly with the rise of the PP content for all doses.The di use scattering can be used as a qualitative in-dication of the amount of crystal defects.The integral di use scattering decreases with the irradiation dose (Fig.4).Therefore,we conclude that irradiationTable 2Crystallite sizes and paracrystalline factors for PP in directions perpendicular to the planes (110)PP content (wt%)Dose (kGy)10%30%50%60%0L hkl (nm)13171717g P (%)±0 1.7 2.153L hkl (nm)19202017g P (%)± 2.2 2.0 3.083L hkl (nm)17201717g P (%)± 1.6 1.7 2.3100L hkl (nm)25202017g P (%) 1.9 1.6 2.00113L hkl (nm)14212617g P (%)± 2.0 2.5 2.7166L hkl (nm)22172520g P (%)1.92.4M.Mihailova et al./Radiation Physics and Chemistry 56(1999)581±589584reduces the number of crystal defects.Such e ects have been observed for irradiated with g -rays poly(-ethylene oxide)(Nedkov and Tsvetkova,1994)and PP (Stoyanov et al.,1989,Krestev et al.,1986).Annealing decreases the number of crystal defects and the growth of the long period.This process has been called ``radi-ation annealing''by Nedkov et al.The di use scatter-ing decreases abruptly for samples with higher PP content (Fig.4).Hence,the ``radiation annealing''takes place predominantly in PP crystals.According to Keller et al.(1983)clustering of cross-links occurs,resulting in the coexistence of two discrete phases in irradiated alkanes:one crystalline,free of cross-links,and the other fully amorphous,containing most of the cross-links.These authors have assumed that the radi-ation energy results in the formation of active species,60Quantity of PP [ wt.% ]X c r , %4020302520150 kG y60Quantity of PP [ wt.% ]X c r , %40203025201553 kG y60Quantity of PP [ wt.% ]X c r , %4020030252015100 kG y60Quantity of PP [ wt.% ]X c r , %40203025201583 kG y60Quantity of PP [ wt.% ]X c r , %4020030252015166 kG y60Quantity of PP [ wt.% ]X c r , %402030252015113 kG yFig.3.Degree of crystallinity X cr vs PP content at di erent irradiation dose.M.Mihailova et al./Radiation Physics and Chemistry 56(1999)581±589585which migrate rapidly through the crystal lattice.Nedkov and Tsvetkova (1994)have associated these migrating active species with removal of crystal defects through the crystal lattice after irradiation at low doses.The nature of these active species has not been speci®ed in any report cited above.It is impossible to propose a suitable mechanism of this process only on the basis of WAXS measurement studies.There is a probability that the samples undergo the usual thermal annealing during irradiation.It is impossible to separate the amorphous halo into two components in the X-ray patterns for all samples (Fig.1).According to Lipatov et al.(1982a)the maxi-mum of the amorphous halo of PP is at y Cu =8.58and for Co radiation,y Co =9.98.The intensity of the X-ray scattering at y Co =9.98is very weak even for samples with maximum PP content of 60wt%(Fig.1).There is only one amorphous halo with peak position near y Co =11.88.The electron irradiation does not change the nature of the amorphous scattering.A single amor-phous phase has been observed by other authors for two incompatible polymers (Sung-Hee Ahn et al.,1993).The single T g transition has been assumed as an evidence for that.The observed single amorphous halo in our X-ray patterns allow us to suggest that the PP and EVA amorphous chains are partially interpene-trated in the interface regions.The interpenetration of the amorphous chains of the components is probably favoured by the molecular structure of the PP copoly-mer containing short PE blocks (De Gennes,1982).The most probable distance between molecular seg-ments in the amorphous regions d am vs PP content is shown in Fig.5.If there is no interaction between the two phases,d am should be a linearly additive function of PP content.The observed dependence is not linear except for the sample irradiated with 166kGy.Hence,this is more proof of interaction between the com-ponents.A well-de®ned minimum is seen at 30wt%PP.Thomas et al.(1987)have shown that at this PP concentration the two phases form a continuous inter-penetrated network-like structure.From the thermo-mechanical studies of the same samples obtained by Minkova and Nikolova (1989b),it is evident that the thermal-shrinkable properties are most prominent for the specimens with 30/70wt%PP/EVA composition.All results mentioned above prove that the best expressed interaction between polymers is noticed at this composition.200Dose [ kGy ]D e f u s e s c a t t e r i n g1501005018001600140012001000800600Fig.4.Di use scattering vs irradiation dose for specimens with di erent PP content.M.Mihailova et al./Radiation Physics and Chemistry 56(1999)581±589586By increasing the irradiation dose,the d am values depend to a lesser extent on the PP content (Fig.5).The linear dependence of d am on PP content at a dose of 166kGy can be explained with predominating chain scissions over the cross-linkings in the PP phase (Dawes and Glover,1996).Lipatove et al.(1982b)have suggested a method for estimation of the interface layer thickness.According to this authors,polymer A is considered as sphericalparticles with radius r dispersed in the matrix of poly-mer B.Following this model,the integral intensity of re¯ection 110of PP should be a linear function of the PP content.The slope P of this function is:P Ktg a 5where K is K r 3a r t 36Quantity of PP [wt. %]d a m [ n m ]0.460.4460Quantity of PP [wt. %]d a m [ n m ]402000.460.4460Quantity of PP [wt. %]d a m [ n m ]402000.460.4460Quantity of PP [wt. %]d a m [ n m ]402000.460.4460Quantity of PP [wt. %]d a m [ n m ]402000.460.4460Quantity of PP [wt. %]d a m [ n m ]402000.460.44Fig.5.The most probable distance d am in the amorphous region vs PP content at di erent irradiation dose.M.Mihailova et al./Radiation Physics and Chemistry 56(1999)581±589587where t is the thickness of the interface layer,tg a depends only on the experimental conditions.In the case when t increases,the slope P decreases.As seen in Fig.6,the slope diminishes at higher irradiation doses.Obviously,irradiation has caused an increase of the interface layer thickness.Irradiation increases the con-centration of short chains and reduces the di erence inthe surface tensions between the two phases.The phase boundary becomes unstable and this causes the growth of the interface layer thickness.4.ConclusionsThe following explanations of our results are pro-posed.Interface layers between the components are formed during the mixing process.Highly dispersed EVA drops could serve as heterogeneous nuclei for PP crystallization.For this reason the ®lms prepared are amorphous (Fig.2),but all blends are semicrystalline (Fig.1).The crystallisation ®xes the created micro-het-erogeneous structure (Fig.7).We suppose that there are three di erent kinds of structure:relatively homo-geneous particles from PP and EVA copolymers,each of them consisting of crystalline and amorphous phases;interface regions with interpenetrating amor-phous chains of the two components and small crys-tals.PP and EVA crystallise separately.Each of the three regions could be considered as a network even before irradiation.The crystals serve as knots in this network.Irradiation leads to an increase of the thickness of the interface layer;up to 100kGy,it diminishes the imperfections in the crystal regions as can be seen by the decreasing di use scattering at higher irradiation doses (Fig.4).200Dose [ kGy ]S l o p e1501005001.11.00.90.80.7Fig.6.The slope P vs irradiation dose (explanation in text).EVA PPFig.7.Structural model of the interface between EVA and PP copolymers.M.Mihailova et al./Radiation Physics and Chemistry 56(1999)581±589588AcknowledgementsThe authors would like to thank the Foundation of Scienti®c Research,So®a University,``St.Kliment Ohridski'',for the®nancial support,and Dr Nikolova for the preparation of the samples.ReferencesAlexander,L.E.,1969a.X-Ray Di raction Methods in Polymer Science.John Wiley&Sons,Inc,New York,p.168.Alexander,L.E.,1969b.X-Ray Di raction in Polymer Science.John Wiley&Sons,Inc,New York,p.427. 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