论文部分内容阅读
聚丙烯（Polypropylene,PP）是用途广泛的通用聚合物材料,它本身的性能和以它为基体的多种增强体复合材料的性能是目前研究的热点。PP及其复合材料的性能不仅依赖于增强体与PP基体自身的性能,而且在很大程度上受加工过程的影响。微孔聚合物以其轻质、高强度、抗疲劳、寿命长、热稳定性好等优点,在航空航天、生物医用、微电子、汽车零部件、建筑环保等领域具有重要的应用价值,被誉为“21世纪的新型材料”之一。近年围绕微孔材料制备工艺、泡孔成核与增长机理、泡孔结构与宏观性能的关系研究成为热点。本文把PP复合材料与物理发泡工艺相结合,基于不同增强体系的PP复合材料,以超临界CO2为物理发泡剂,利用快速卸压式固态间歇式发泡（Batch Foaming）和微孔注塑成型（Microcellular Injection Molding,MIM）工艺制备PP基微孔复合材料,探讨静态、动态两种微孔发泡工艺条件下不同增强体系PP复合材料微孔发泡行为及其性能。借助DSC、流变仪、SEM等多种表征测试设备,研究PP复合材料组分、加工条件、微观形态对其微孔发泡行为及其泡孔结构的影响。论文为多相增强体系PP复合材料的微孔发泡及其结构与性能关系研究提供了重要的理论基础与数据支撑。论文主要研究结果如下:1.研究了PP/PS共混物的粘弹性行为、结晶性能、拉伸性能和间歇发泡行为。PS的加入使PP粘度和储能模量升高,粘弹性响应加快,晶体成核和生长受到抑制,共混物的结晶度随PS含量的升高而降低。共混物模量升高,断裂伸长率和屈服强度降低。在间歇发泡实验中,PS作为异相成核剂显著提高了PP的发泡密度和发泡倍率,降低了泡孔尺寸。由于超临界CO2在PP和PS中溶解度存在显著差异,PP/PS共混物多孔材料内部呈现出明显的双峰泡孔结构。2.基于多壁碳纳米管,研究了PP/CNT复合材料的粘弹性行为、结晶性能、拉伸性能。分散于PP基体内的CNT相互作用形成三维有序结构,复合材料的粘弹性响应加快。CNT的存在促进结晶成核,但因复合材料粘度增加和大量晶核间的相互作用,晶体生长受到抑制,且相比于成核过程的促进,晶体生长的抑制占主导因素,因而最终复合材料结晶度低于纯PP的结晶度。CNT以团聚形式分散于PP基体中,说明常规的熔融共混方法不能有效的将CNT均匀地分布在PP基体中,但CNT团聚体尺寸不大。通过对PP/CNT和PP/PS/CNT间歇发泡行为的对比研究,CNT在PP/CNT复合材料中作为异相成核剂大大提高了复合材料的泡孔密度,降低了泡孔尺寸。CNT的存在使PP熔体内部构建了异质熔体结构,随着高密度复合材料泡孔的持续生长,泡孔壁越来越薄,PP和CNT界面处的剥离形成开孔结构,当CNT和PS同时加入PP后,三相复合体系中呈现出兼具双峰泡孔与高开孔的新型微纳复合结构。3.基于单壁碳纳米管,在PP复合材料间歇发泡的研究基础上,开展了PP/CNT连续微孔注塑发泡工艺研究。针对不同组分PP/CNT开展热、力学及流变性能分析。相比于间歇发泡工艺得到的高开孔率微纳复合多孔结构,微孔发泡注塑试样内部泡孔尺寸较大,泡孔均匀性较差,泡孔壁较厚且完全闭孔,不同微孔发泡工艺下相同填充体系的异相成核效应差别巨大。比较发泡前后试样力学性能,相同CNT含量未发泡PP/CNT试样的杨氏模量大于微孔发泡试样,不同CNT含量的PP/CNT的实体和微孔试样的杨氏模量呈非线性形式变化但变化范围不大。实体PP/CNT的断裂伸长率在120%左右,但微孔注塑后的PP/CNT的断裂伸长率在550%以上。4.基于单壁碳纳米管,在PP/CNT的基础上添加了定量的经过表面经硅烷偶联剂处理的玻璃微球（GB）,制备了多种组分的CNT/GB增强体系PP复合材料。GB的加入增强了PP基体与CNT、GB间界面结合,复合材料体系黏度增大。此外加入定量GB后,相同CNT含量的PP/CNT/GB复合材料比PP/CNT复合材料的起始分解温度平均提高了5°C。三相PP复合材料微孔注塑试样平均泡孔尺寸35μm,较PP/CNT微孔注塑结果降低了60%,泡孔密度增加了一个数量级,说明复合填充体系能在微孔发泡过程种产生更多的异相成核点。PP/CNT/GB试样拉伸应力应变曲线与PP/CNT试样趋势一致,加入定量GB后的PP/CNT/GB的实体和微孔试样的杨氏模量也成非线性变化,但变化范围更小。PP/CNT/GB实体试样均大于微孔试样的断裂伸长率,实体PP/CNT/GB的断裂伸长率在150%左右,相比于相同CNT含量的PP/CNT实体的断裂伸长率增大了30%左右。