纖維改性聚丙烯發(fā)泡性能研究以及約束力場對泡孔生長的影響.pdf

1、微孔發(fā)泡塑料的特征是泡孔直徑在1～10μm之間，泡孔密度卻大于109cells/cm3的具有閉孔結(jié)構(gòu)的一種新型多孔材料。與未發(fā)泡材料相比，微孔發(fā)泡材料具有沖擊強(qiáng)度高、韌性好、比強(qiáng)度高、疲勞壽命長、介電常數(shù)低、導(dǎo)熱系數(shù)低等優(yōu)異性能。因此，微孔發(fā)泡塑料具有十分廣闊的市場前景和應(yīng)用價(jià)值，被稱為“21世紀(jì)的新型材料”。由于PP發(fā)泡材料具有良好的熱穩(wěn)定性、較高的力學(xué)性能、好的可降解回收性以及好的化學(xué)穩(wěn)定性，正逐漸代替其他發(fā)泡材料而被廣泛應(yīng)用。如果

2、PP能夠進(jìn)行微孔發(fā)泡，這無疑將進(jìn)一步擴(kuò)大它的工業(yè)用途。但由于PP自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致了微孔發(fā)泡過程很難控制，從而影響了其工業(yè)化的進(jìn)程。因此，PP微孔發(fā)泡的研究成為了塑料加工領(lǐng)域中研究開發(fā)的一個(gè)重要課題。
　　本文以超臨界CO2為物理發(fā)泡劑，首次嘗試在PP中加入少量的碳纖維或竹原纖維來改善PP的發(fā)泡能力。纖維的加入不但可以增加PP熔體的粘彈性而且在發(fā)泡過程中會改變泡孔成核的方式。此外，由于纖維的加入，微孔發(fā)泡材料的基本性能將會有很大

3、程度的改善，尤其是力學(xué)性能可以得到大幅度提高，從而擴(kuò)大了PP微孔發(fā)泡材料潛在的工業(yè)應(yīng)用范圍。本論文主要研究內(nèi)容摘要如下。
　　1.首先，對碳纖維的表面進(jìn)行預(yù)處理以除去雜質(zhì)并增加表面的粗糙度，從而增強(qiáng)成核效率。然后，借鑒打漿造紙法制備得到碳纖維分布均勻的碳纖維/PP復(fù)合材料，并表征了其基本性能。接下來，采用重量分析法測量了不同工藝條件和不同碳纖維含量時(shí)CO2在復(fù)合材料中的溶解度。采用分步升溫法對碳纖維/PP復(fù)合材料發(fā)泡，首先確定了合

4、適的發(fā)泡溫度(180℃)，同時(shí)研究了碳纖維含量和工藝參數(shù)對泡孔形貌的影響，結(jié)果表明發(fā)泡過程主要是以異相成核為主，因此碳纖維的加入有效地改善了PP的發(fā)泡能力。使用快速降壓法制備發(fā)泡碳纖維/PP復(fù)合材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于本身熔體粘彈性較低，得到的泡孔絕大部分呈現(xiàn)開孔結(jié)構(gòu)，平均泡孔直徑隨著碳纖維含量的增加而變大，泡孔密度則降低。當(dāng)碳纖維含量為15wt％時(shí)，發(fā)泡復(fù)合材料的平均泡孔直徑隨著飽和壓力的升高或發(fā)泡溫度的降低而變小，泡孔密度則增大;而卸壓速率

5、對泡孔形貌的影響不明顯。
　　2.為了增加竹原纖維和PP兩相之間的界面粘結(jié)力，首先對竹原纖維進(jìn)行堿處理來除去雜質(zhì)并減弱親水性。隨后，借鑒打漿造紙法制備得到竹原纖維/PP復(fù)合材料，對其基本性能做了表征后，同樣地采用重量分析法測量了CO2在竹原纖維/PP復(fù)合材料中的溶解度，并研究了纖維含量和工藝參數(shù)對CO2溶解度的影響。使用分步升溫法對復(fù)合材料發(fā)泡時(shí)發(fā)現(xiàn)，幾乎沒有泡孔形成，這可能是因?yàn)橹裨w維的成核效率低以及復(fù)合材料本身較差的傳熱性能

6、所導(dǎo)致的。然而，使用快速降壓法卻可以制備出泡孔形貌很好的發(fā)泡復(fù)合材料，并研究了碳纖維含量以及工藝參數(shù)對發(fā)泡復(fù)合材料泡孔形貌的影響。
　　3.微孔發(fā)泡材料的基本性能，尤其是力學(xué)性能，和泡孔參數(shù)緊密相關(guān)。為了提高微孔發(fā)泡材料的性能，在碳（竹原）纖維/PP復(fù)合材料中加入少量納米碳酸鈣作為異相成核劑。為了降低納米碳酸鈣的團(tuán)聚作用，首先對其進(jìn)行表面處理。通過對納米碳酸鈣/碳纖維/PP納米復(fù)合材料發(fā)泡的研究得知，無論采用分步升溫法還是快速降壓

7、法，納米碳酸鈣都能很好地作為異相成核劑來降低泡孔成核時(shí)所需要的能壘，使得平均泡孔直徑降低而泡孔密度增大。采用分布升溫法時(shí)，在相同的工藝條件下，納米碳酸鈣含量為2.9wt％時(shí)，發(fā)泡納米復(fù)合材料有最小的平均泡孔直徑和最大的泡孔密度;采用快速降壓法時(shí)，當(dāng)飽和壓力15MPa和發(fā)泡溫度160℃，納米碳酸鈣含量是4.8wt％時(shí)，發(fā)泡納米復(fù)合材料的平均泡孔直徑最小，泡孔密度最大。采用分步升溫法對納米碳酸鈣/竹原纖維/PP納米復(fù)合材料發(fā)泡，非常奇怪地發(fā)

8、現(xiàn)無論如何改變納米碳酸鈣的含量和工藝參數(shù)，發(fā)泡納米復(fù)合材料中都沒有出現(xiàn)規(guī)則的泡孔結(jié)構(gòu)，只出現(xiàn)一些直徑較大的孔洞。但是，采用快速降壓法時(shí)，納米碳酸鈣可以很好地作為異相成核劑，制備得到泡孔直徑更小且泡孔密度更大的發(fā)泡納米復(fù)合材料。此外，還研究了工藝參數(shù)對發(fā)泡納米碳酸鈣/碳(竹原）纖維/PP納米復(fù)合材料泡孔形貌的影響。
　　4.最后，對碳纖維/PP復(fù)合材料和納米碳酸鈣/碳纖維/PP納米復(fù)合材料采用分步升溫法在約束模具中進(jìn)行約束發(fā)泡。由于

9、約束模具的存在，泡孔長大過程不同于傳統(tǒng)的細(xì)胞模型或者海島模型。研究表明，因?yàn)闃悠繁旧砣垠w的粘彈性比較低，同時(shí)加上約束力場的作用，使得泡孔在長大過程中傾向于發(fā)生泡孔合并，從而造成了約束后發(fā)泡材料的平均泡孔直徑相對于自由發(fā)泡時(shí)變大，而泡孔密度變低。此外，還研究了約束發(fā)泡材料的沖擊強(qiáng)度和熱性能與泡孔形貌的關(guān)系。從中發(fā)現(xiàn)，約束發(fā)泡材料的沖擊強(qiáng)度和泡孔參數(shù)緊密相關(guān):平均泡孔直徑越小而泡孔密度越大，其沖擊強(qiáng)度越大。平均泡孔直徑越大，在沖擊過程中就會