聚丙烯超临界CO2挤出发泡温度窗口调控与泡孔形态控制

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聚丙烯(PP)泡沫具有良好的力学性能,优异的耐热性、抗老化以及抗腐蚀等性能,在日用餐饮、交通运输、建筑、军事等领域及行业中有着广泛的应用。但是PP发泡面临着熔体强度低,结晶度高,泡孔形态差及发泡温度区间窄等问题。高熔体强度聚丙烯(HMSPP)是通过辐照或反应共混等方式,在PP链段上插入长支链,提高其熔体强度。但HMSPP发泡还是存在结晶度高,及发泡温度区间窄等问题。本文以超临界二氧化碳(CO2)为发泡剂,利用连续串联挤出发泡设备制备了一系列HMSPP发泡样,并对其性能进行了分析。首先以超临界CO2为发泡剂,在不同机头温度及CO2流量下,连续串联挤出发泡得到HMSPP发泡样。对不同CO2流量下发泡样品的结晶性能与泡孔特性进行了分析。同时对未发泡HMSPP样品的流变性能进行了研究。结果表明,HMSPP的熔融温度随着超临界CO2流量的增加向高温方向移动。CO2流量越高,晶体出现的时间更早,越有利于发泡;在CO2流量1~2 ml/min、机头温度160~164℃的范围内,随着流量的增大,发泡材料的平均泡孔尺寸逐渐减小,泡孔密度相应增大;而随着机头温度的升高,发泡材料的平均泡孔尺寸逐渐增大,泡孔密度则减小。在机头温度为162℃、CO2流量为2 ml/min的工艺条件下可以制备出泡孔密度为6.334×107个/cm3、平均泡孔直径为75.141μm、发泡倍率达到15.07倍的挤出发泡样品。并且在该条件下可以连续稳定地进行挤出发泡,挤出物表面也较为光滑。以HMSPP和超高分子量聚丙烯(UHMWPE)为原料,超临界CO2为发泡剂,挤出制备了HMSPP/UHMWPE发泡样品。并研究了UHMWPE含量对共混物熔融结晶行为、流变特性和泡孔形态的影响。结果表明,UHMWPE的加入提高了HMSPP的复数粘度及模量,降低了HMSPP的tanσ,有助于优化HMSPP的泡孔形态。并且随着UHMWPE的加入,挤出发泡HMSPP/UHMWPE共混物泡沫样的泡孔密度增大,泡孔尺寸减小,发泡倍率也得到显著提升。在机头温度为162℃、UHMWPE含量为10%时,得到了平均泡孔尺寸40.737μm,泡孔密度5.594×107个/cm3,发泡倍率20.8倍的挤出发泡样品。因此,在工艺条件不变的情况下,通过改变UHMWPE的含量,可以调控共混物发泡样的发泡倍率和泡孔形态。将高抗冲聚苯乙烯(HIPS)添加到HMSPP中,以超临界CO2为发泡剂,挤出发泡制备了HMSPP/HIPS发泡样品。分析了HMSPP/HIPS共混物的热性能和流变性能。结果表明,随着HIPS的加入,共混物的结晶能力减弱,结晶度和结晶温度显著降低。同时HMSPP/HIPS共混物储能模量、损耗模量与复数粘度均得到显著的提高,松弛时间变得更长。共混物拉伸粘度活化能和熔体强度活化能降低,共混物的拉伸粘度和熔体强度的温度依赖性得到改善。加入HIPS后PP材料的发泡温度范围从164~160℃扩大到了166~152℃。最后还通过阿伦尼乌斯方程、熔体强度及入口压力降之间的关系预测并计算了不同组分PP/HIPS共混物的发泡温度上限与温度下限,预测值与实验结果部分吻合。
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