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《华东理工大学》 2011年
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聚丙烯/天然海藻纤维复合材料的制备及性能研究

栾立醒  
【摘要】:本论文以聚丙烯(PP)为基体树脂、以天然海藻纤维(SW)为增强材料,制备了全新的聚丙烯/天然海藻纤维(PP/SW)复合材料。基于对“熔融加工-注塑成型”工艺参数的优化,在普通热塑性复合材料成型设备中成功制备了PP/SW复合材料,并对其力学性能、热机械性能、结晶性能、动态流变特性、热稳定性及燃烧性能进行了详细表征。本论文提出了PP/SW复合材料内部相结构的转变模型,并发现SW纤维对PP树脂的固相阻燃剂功效。 首先探讨PP/SW复合材料的可加工性,比较了SW纤维添加量、螺杆挤出机类型对复合材料熔融过程的影响。实验结果表明,双螺杆挤出机可有效对PP/SW复合材料进行熔融加工,能在保证SW纤维热稳定性的同时实现其在PP树脂中良好的分散性。TPU可作为高效熔融助剂消除熔体破裂现象。然而SW纤维添加量不应超过50wt%,以保证足够的熔体流动性能;熔融温度不应超过185℃,螺杆转速不应超过60rpm,以避免SW纤维剧烈热降解的发生。同时,PP/SW复合材料可通过注塑成型工艺制备,最佳注塑成型参数为:注塑温度=180℃,螺杆转速=60rpm,注塑压力=保压压力=60bar,模具温度=60℃,冷却时间=45s。 通过力学性能表征衡量了SW纤维对PP树脂的增强效果。研究表明,表面碱处理能去除杂质从而提高SW纤维强度。然而PP树脂与SW纤维之间的弱相容性导致复合材料低劣的力学强度,因此必须使用界面相容剂。本论文将界面相容剂作用机理区分为“内相容机理”及“外相容机理”。结果表明“外相容剂”MAPP及“内相容剂”CESA均能有效提高PP/SW复合材料的力学强度;热机械测试中储能模量及损耗模量的提高同样证明了SW纤维对PP树脂的增强作用。然而损耗因子的不同改变趋势证明两种相容剂不同的作用机理;MAPP提高了PP/SW复合材料的刚性而CESA提高了柔性。SW纤维能加快PP树脂的结晶过程,但降低了相对结晶度。MAPP及CESA均能提高PP树脂的相对结晶度,充分发挥SW纤维的异相成核作用。 动态流变学测试给出界面相容剂对PP/SW复合材料相结构改变的信息。SW纤维能有效的增强PP树脂,末端区“牛顿平台”的出现说明PP树脂与SW纤维物理交联网络的形成;同时PP/SW复合材料较宽的线性粘弹区域证明了成型加工工艺的可行性。CESA通过对相结构的改变,从本质上提高了PP树脂与SW纤维之间物理交联网络的表观屈服应力;而MAPP对末端区特性改变不明显。通过“时-温等效原理”分析,CESA将PP/SW复合材料从非均相体系转变为均相体系,从而提高了相结构的稳定性。在测试温度范围内,CESA避免了PP/SW复合材料内部相分离情况的发生。 本论文还系统研究了PP/SW复合材料的热降解及燃烧性能。SW凭借自身良好热稳定性,能有效推迟PP树脂的热降解过程。SW纤维同时能发挥固相阻燃功效,显著降低PP树脂的燃烧参数。稳定的相结构有利于充分发挥SW纤维阻燃效应,最终实现其热释放总量及热释放速率峰值分别下降25%和75%,达到普通应用标准。然而,SW纤维没有改变PP树脂的可燃性。 研究表明,PP/SW复合材料具有理想的加工性能,其基本性能达到使用要求;同时PP/SW复合材料的耐热、耐燃烧性能明显优于PP树脂,具有耐热复合材料的应用前景。本论文的研究丰富了PP/NVF复合材料中的界面相容剂作用理论,并为此类复合材料研究提出新的思路。
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