微孔发泡塑料的特征是泡孔直径在1-101μm之间,泡孔密度却大于109cells/cm3的具有闭孔结构的一种新型多孔材料。与未发泡材料相比,微孔发泡材料具有冲击强度高、韧性好、比强度高、疲劳寿命长、介电常数低、导热系数低等优异性能。因此,微孔发泡塑料具有十分广阔的市场前景和应用价值,被称为“21世纪的新型材料”。由于PP发泡材料具有良好的热稳定性、较高的力学性能、好的可降解回收性以及好的化学稳定性,正逐渐代替其他发泡材料而被广泛应用。如果PP能够进行微孔发泡,这无疑将进一步扩大它的工业用途。但由于PP自身的结构特点,导致了微孔发泡过程很难控制,从而影响了其工业化的进程。因此,PP微孔发泡的研究成为了塑料加工领域中研究开发的一个重要课题。本文以超临界CO2为物理发泡剂,首次尝试在PP中加入少量的碳纤维或竹原纤维来改善PP的发泡能力。纤维的加入不但可以增加PP熔体的粘弹性而且在发泡过程中会改变泡孔成核的方式。此外,由于纤维的加入,微孔发泡材料的基本性能将会有很大程度的改善,尤其是力学性能可以得到大幅度提高,从而扩大了PP微孔发泡材料潜在的工业应用范围。本论文主要研究内容摘要如下。1首先,对碳纤维的表面进行预处理以除去杂质并增加表面的粗糙度,从而增强成核效率。然后,借鉴打浆造纸法制备得到碳纤维分布均匀的碳纤维/PP复合材料,并表征了其基本性能。接下来,采用重量分析法测量了不同工艺条件和不同碳纤维含量时CO2在复合材料中的溶解度。采用分步升温法对碳纤维/PP复合材料发泡,首先确定了合适的发泡温度(180℃),同时研究了碳纤维含量和工艺参数对泡孔形貌的影响,结果表明发泡过程主要是以异相成核为主,因此碳纤维的加入有效地改善了PP的发泡能力。使用快速降压法制备发泡碳纤维/PP复合材料时,发现由于本身熔体粘弹性较低,得到的泡孔绝大部分呈现开孔结构,平均泡孔直径随着碳纤维含量的增加而变大,泡孔密度则降低。当碳纤维含量为15wt%时,发泡复合材料的平均泡孔直径随着饱和压力的升高或发泡温度的降低而变小,泡孔密度则增大；而卸压速率对泡孔形貌的影响不明显。2为了增加竹原纤维和PP两相之间的界面粘结力,首先对竹原纤维进行碱处理来除去杂质并减弱亲水性。随后,借鉴打浆造纸法制备得到竹原纤维/PP复合材料,对其基本性能做了表征后,同样地采用重量分析法测量了CO2在竹原纤维/PP复合材料中的溶解度,并研究了纤维含量和工艺参数对CO2溶解度的影响。使用分步升温法对复合材料发泡时发现,几乎没有泡孔形成,这可能是因为竹原纤维的成核效率低以及复合材料本身较差的传热性能所导致的。然而,使用快速降压法却可以制备出泡孔形貌很好的发泡复合材料,并研究了碳纤维含量以及工艺参数对发泡复合材料泡孔形貌的影响。3微孔发泡材料的基本性能,尤其是力学性能,和泡孔参数紧密相关。为了提高微孔发泡材料的性能,在碳(竹原)纤维/PP复合材料中加入少量纳米碳酸钙作为异相成核剂。为了降低纳米碳酸钙的团聚作用,首先对其进行表面处理。通过对纳米碳酸钙/碳纤维/PP纳米复合材料发泡的研究得知,无论采用分步升温法还是快速降压法,纳米碳酸钙都能很好地作为异相成核剂来降低泡孔成核时所需要的能垒,使得平均泡孔直径降低而泡孔密度增大。采用分布升温法时,在相同的工艺条件下,纳米碳酸钙含量为2.9wt%时,发泡纳米复合材料有最小的平均泡孔直径和最大的泡孔密度；采用快速降压法时,当饱和压力15MPa和发泡温度160℃,纳米碳酸钙含量是4.8wt%时,发泡纳米复合材料的平均泡孔直径最小,泡孔密度最大。采用分步升温法对纳米碳酸钙/竹原纤维/PP纳米复合材料发泡,非常奇怪地发现无论如何改变纳米碳酸钙的含量和工艺参数,发泡纳米复合材料中都没有出现规则的泡孔结构,只出现一些直径较大的孔洞。但是,采用快速降压法时,纳米碳酸钙可以很好地作为异相成核剂,制备得到泡孔直径更小且泡孔密度更大的发泡纳米复合材料。此外,还研究了工艺参数对发泡纳米碳酸钙/碳(竹原)纤维/PP纳米复合材料泡孔形貌的影响。4最后,对碳纤维/PP复合材料和纳米碳酸钙/碳纤维/PP纳米复合材料采用分步升温法在约束模具中进行约束发泡。由于约束模具的存在,泡孔长大过程不同于传统的细胞模型或者海岛模型。研究表明,因为样品本身熔体的粘弹性比较低,同时加上约束力场的作用,使得泡孔在长大过程中倾向于发生泡孔合并,从而造成了约束后发泡材料的平均泡孔直径相对于自由发泡时变大,而泡孔密度变低。此外,还研究了约束发泡材料的冲击强度和热性能与泡孔形貌的关系。从中发现,约束发泡材料的冲击强度和泡孔参数紧密相关：平均泡孔直径越小而泡孔密度越大,其冲击强度越大。平均泡孔直径越大,在冲击过程中就会成为应力集中点,造成冲击强度下降。和未发泡样品相比,约束发泡样品的结晶度有所提高,这是因为约束力场使得泡孔周围的分子链受到长大中泡孔的剪切力,剪切力越大越有利于提高分子链的取向性,从而使得分子链的规整度提高,因此结晶度变大。