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聚合物梯度材料的制备及材料结构与性能研究

温变英  
【摘要】:梯度功能材料(Functionally gradient materials,简称FGM)是将两种或两种以上具有不同性质的原料组分,通过采用不同以往的复合技术使材料内部的微观要素在某特定方向呈连续的梯度变化,从而使材料的物性参数也呈连续梯度变化的一类新型复合材料。由于FGM的概念最初是应宇航技术对超耐热材料的要求而产生的,所以在过去十几年里,其研究和应用主要集中在金属/陶瓷等无机小分子复合材料领域,相比之下,有关聚合物材料梯度功能化的研究开展得较少,而应用传统的聚合物加工方法和设备直接进行聚合物梯度功能材料的研究还未见报道。本论文融合了梯度功能材料的思想与聚合物共混和填充改性原理,将聚合物的一次成型和二次成型有机地结合起来,提出了一种以聚合物挤出技术为主的利用传统的聚合物加工方法和设备制备聚合物基梯度材料的新方法,并用此方法试制了不同组合、不同形状的共混型和填充型聚合物梯度材料。 圆筒状梯度材料的实验结果表明,材料的组成、结构和性能在径向上实现了梯度化。在圆筒状PP/PA6梯度材料中,随着半径的增加,PA6的含量逐步增加而PP的含量逐步降低。在有限的径向尺度范围内,PP和PA6分别发生了从连续相到分散相和从分散相到连续相的转变。就梯度材料某一局部的形态而言,其结构符合聚合物共混物形态形成机制的一般规律,即在组分含量高度不对称的时候形成“海-岛”结构,而在组分含量接近的时候形成共连续结构。然而,从梯度材料整体来看,其形态结构明显不同于传统的聚合物共混材料。因形态结构在梯度材料中的分布是多样 WP=5 化的,并且这些不同形态间的过渡是连续且渐变的。伴随着组分含量和形态结构的变化,材料的性能也呈现出不同的变化。力学性能测试结果表明,材料的拉伸模量随其中PA6含量的增加而上升,而拉伸强度和断裂伸长率却表现出不同的变化形式。在圆筒状PP/talc梯度材料中,随着滑石粉含量在半径方向的不断增加,材料的拉伸模量逐渐上升而断裂伸长率逐渐下降,低含量的滑石粉对PP显示了明显的增强增韧作用,高含量滑石粉的改性效果并不理想。 本论文还以PP为主料分别制备了PA6和滑石粉(talc)组分含量由一侧向另一侧逐步增加、由中间向两侧逐步减少和由中间向两侧逐步增加各三种模式的板状PP/PA6、PP/talc梯度材料。实验结果显示,材料的组成、形态和性能在厚度方向上均实现了梯度化。对材料进行力学性能和热膨胀性能的测试结果表明,同一体系不同模式梯度材料的性能之间存在差异,而组成和结构在厚度方向上呈单调梯度变化的不对称材料的两侧也会表现出明显不同的性能。 挤出过程中加料量与加工时间呈函数关系变化是本加工方法的最大特点。所以用该方法制备聚合物梯度材料时,材料的组成和形态可以通过加料量、加料方式以及加料速度的改变来得到有效控制。 研究结果表明,本论文所提出的经优化组合和精心设计的以聚合物挤出技术为主的制备方法是制备共混或复合型聚合物梯度材料的一条新途径。


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