聚丙烯/木粉复合材料自增强研究

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随着木塑复合材料的应用和国内外建筑业的迅速发展,市场对功能性、高强度、高模量木塑复合材料的需求逐渐增大。然而木塑复合材料产品存在着抗冲击强度低、韧性差等缺点,难以作为结构材料使用,因此提高木塑复合材料的强度和模量从而满足工程应用需要具有重要的现实意义。通过在成型加工过程中引入温度场和外力场的作用改变材料的聚集态结构从而改变其性能的自增强方法,已成为国内外高分子材料科学与成型加工领域的热点研究课题。  本论文根据木塑复合材料成型工艺特点建立了新型连续固态挤出自增强实验平台,对PP/木粉复合材料进行自增强研究。首先针对连续固态挤出过程材料所受挤压力的影响因素进行理论分析,采用DEFORM-3D软件数值模拟了复合材料的连续固态挤出过程,求解出不同工艺参数下,物料在模具内的速度场、应变场和应力场,并且根据模拟结果优化连续固态挤出过程的关键工艺参数,指导连续固态挤出实验设备与成型模具结构参数的设计。  在适当的温度控制范围和拉伸外力场的作用下,采用大扭矩单螺杆挤出机将PP/木粉复合材料经挤压连续通过模具和收敛式锥形口模,使材料内部聚合物的分子链和木粉沿挤出方向高度取向排列,最终实现材料性能的显著提高。本论文系统研究了挤压比、木粉含量、口模温度等工艺参数对PP/木粉复合材料力学性能、耐热性能、结晶性能和聚集态结构的影响。借助SEM、DSC、WAXD等分析测试手段揭示了PP/木粉复合材料连续固态挤出成型过程中制品性能对变量参数的响应规律以及聚集态结构的变化规律,从而建立相应的微观结构演变模型,解释PP/木粉复合材料通过连续固态挤出实现自增强的机理。研究结果表明:  1.挤压比对自增强PP/木粉复合材料试样的力学性能有显著的影响,拉伸强度最大达到81.6MPa,提高了3.9倍,弯曲模量达到5800MPa,提高了2.4倍。随着挤压比的上升,试样密度增大,耐热性能升高,熔融峰向高温方向发生漂移,结晶度有所上升,同时材料内部形成了与普通挤出试样明显不同的取向纤维结构,解释了PP/木粉复合材料力学性能得到大幅度提升的原因。  2.木粉与聚合物基体的相容性较差,使其在加工成型过程中难以与聚合物均匀分散,从而材料内部容易产生应力集中现象,且存在一定的孔隙和空洞,影响制品的性能。此外木粉的加入能明显地提高材料的模量和耐热性能,且对聚合物基体的熔融和结晶行为会产生十分显著的影响。  3.口模温度的升高促进了分子链的活动能力,使得聚合物无定形区的分子取向程度减弱,而结晶区的分子取向程度依旧能够保持,因此自增强PP/木粉复合材料试样的强度随着口模温度的升高而上升,模量随之下降。同时低温挤出时能提高PP/木粉复合材料的耐热性和结晶度。  以上研究成果丰富发展了多相复合材料自增强技术,加深了对连续固态挤出成型过程中制品结构与性能的认识。不仅可以为成型装备的结构设计和工艺参数的优化提供详实的实验数据及理论依据,同时对制备高性能聚合物制品以及多相复合材料自增强技术的进一步研究和推广,具有重大的理论与现实意义。
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