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《浙江大学》 2015年
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振动剪切作用下聚合物及其复合材料的成型与性能研究

苏良瑶  
【摘要】:聚合物成型是聚合物科学中一门重要的学科。如何通过成型方法控制聚合物的内部结构与形态,提高聚合物的性能是广大研究人员共同追求的目标。在常规的聚合物成型技术上,通过引入振动剪切,可以改变聚合物的内部形态,改善制品的结晶性能和力学性能。目前,剪切控制取向注射成型技术和动态保压注射成型技术是两种较为受关注的振动辅助注射成型技术,经过多年的研究累积,已形成了系统性的研究成果。然而,这两种成型方式中的振动剪切加工参数基本属于低频振动(频率为0.3Hz左右),这对研究振动剪切对聚合物的成型与性能有较大的限制。此外,所研究的材料性能集中于材料的结晶性能与力学性能,对材料的其他功能性方面(如阻隔性能、导电性能等)的报道比较少。本文搭建了一套多通道成型设备,研究不同频率和振幅的振动剪切对聚合物的结晶性能与力学性能的影响以及在振动剪切作用下纳米颗粒的取向与分散对聚合物的阻隔性能和导电性能的影响。研究内容和研究结果如下:1.研究了不同频率(0-2.5Hz)和振幅(0-20mm)的振动剪切作用对线性低密度聚乙烯(LLDPE)的力学性能和结晶形貌的影响。在低频率低振幅(0.2Hz/4mm)的振动剪切作用下,LLDPE的结晶较为完善,杨氏模量和拉伸强度分别提高了5%和9%。随着频率或者振幅的增加,LLDPE的力学性能进一步提升。当振动剪切频率增加至2.5Hz而振幅仍为4mm时,LLDPE的杨氏模量和拉伸强度分别提高了27%和20%;当振动剪切的振幅增加至20mm而频率仍为0.2Hz时,LLDPE的杨氏模量和拉伸强度分别提升了49%和47%。差热分析(DSC)和扫描电子显微镜(SEM)表征发现:在振动剪切作用下,LLDPE的结晶过程更加的完善;高频率小振幅的振动剪切引导LLDPE的结晶度有一定的提升;而低频率大振幅的振动剪切迫使LLDPE分子链沿着流动方向取向并形成串晶结构。2.提出了一种新型的振动剪切形式——叠加振动剪切,并研究了普通振动剪切与叠加振动剪切对LLDPE力学性能和结晶性能的影响。相比普通振动剪切作用下的LLDPE,叠加振动剪切作用下的LLDPE具有更加完善的结晶过程,结晶度提高至43.5%,同时,拉伸强度和杨氏模量分别提高了11%和12.6%,这主要是因为叠加振动剪切中存在变化的剪切速率,迫使LLDPE分子链不断受到小幅度的挤压-拉伸作用,形成更加完善的晶体结构,从而提高LLDPE的结晶度和力学性能,从而使LLDPE表现出更好的自增强。3.研究了振动剪切作用下5 wt%含量蒙脱土(OMMT)改性聚乳酸(PLA)复合材料的阻隔性能和结晶性能。在振动剪切作用下,OMMT在PLA基体中形成更好的插层结构并沿着剪切方向取向,一些OMMT片层被PLA分子链剥离成单片或者几片形状。更好分散和取向排列的OMMT分子在PLA结晶过程中起到异相成核以及加速结晶作用,从而观察到冷结晶焓大幅下降,冷结晶温度接近熔融温度以及PLA结晶度大幅度提高。对PLA/OMMT的阻隔性能研究发现,经过振动剪切作用,复合材料的阻隔性能提升了36%,这主要是因为取向排列并有更好分散效果的OMMT和较高的结晶度增加了PLA基体中水蒸气分子的透过路径。4.研究了振动剪切作用下0-2.1 vo1%含量的科琴黑(KB)填充的PLA/KB复合材料的各向导电异性。在振动剪切作用下,KB颗粒链在PLA基体中沿着流动方向取向排列,并形成取向的导电网络。平行于振动剪切方向的渗流阈值远低于垂直于振动剪切方向上的渗流阈值。当KB的含量在0.88 vo1%与1.58vo1%之间时,PLA/KB试样在沿着流动方向上的电阻率降低至~3×104Ω·m,而在垂直于流动方向上的电阻率仍为~1×1010Q·m,形成强烈的各向导电异性。两个方向上电阻率的比值高达106,比已报道的CNTs改性的聚合物材料的各向导电异性程度高出3-4个数量级。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TQ317;TB33

【参考文献】
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>苏良瑶 >赵占勇
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