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聚丙烯-铁-废旧橡胶的碾磨粉碎应力诱导效应及复合材料的研究

卢灿辉  
【摘要】: 本文利用磨盘型力化学反应器对被碾磨材料施加强大的剪切、环向应力、挤压、拉伸和摩擦作用,研究聚丙烯碾磨和共碾磨粉碎过程微观形态结构和性能的变化,以及聚合物在碾磨过程中呈现的力化学现象,并将其应用拓展至金属、橡胶等体系,研究碾磨粉碎在聚丙烯/铁超微粉体的制备、高交联密度弹性材料废旧轮胎橡胶(WTR)的超微粉碎,以及PP/Fe,PP/WTR材料的性能与碾磨作用的关系。解决了聚合物/金属复合材料制备过程中,金属填料的分散、混合等问题,实现了废旧橡胶的常温超微粉碎,开发了一种用回收橡胶粒子填充增韧PP的新方法。研究PP/WTR/Fe多孔材料的吸声性能,获得具有低频吸声性能的聚合物基降噪复合材料。 一、采用受阻胺型光稳定剂癸二酸双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酯)(HALS)作自由基捕捉剂与PP共碾磨,获得碾磨产生力化学自由基的直接证据,解释了PP/HALS共碾磨产生的氮氧自由基的形成过程。采用X-射线衍射研究了聚丙烯碾磨粉碎过程微观结构变化,UHMWPE存在下PP发生晶型转变、结晶度降低和晶粒尺寸减小;弹性材料WTR抑制PP塑性变形,碾磨导致分子堆积有序区域膨胀,晶面间距增大,结晶度下降;刚性材料金属铁与PP产生强烈摩擦,加快晶粒细化,晶格破裂导致非晶化。 二、将磨盘型力化学反应器应用于金属的碾磨粉碎,碾磨25次后,部分铁粒子的尺寸为40—120nm。聚丙烯和铁共碾磨30次后,复合粉体的平均粒径为9.6微米;PP/Fe共碾磨25次后,铁的晶粒尺寸减小为22nm,刚性材料铁对PP的粉碎具有助磨作用。 由共碾磨粉体制得PP/Fe复合材料的冲击强度随碾磨次数增加而增大,碾 磨 25次后提高至 4.52kJ/m‘,比碾磨前增加了 68.7O;动态机械热分析(DMTA) 研究结果表明复合材料的损耗模量随碾磨次数增加而增大,初步获得表征聚合 物/填料共碾磨粉碎一分散作用的方法,为通过碾磨提高聚合物/填料共混材料的 阻尼性能提供理论依据。SEM形貌研究结果表明碾磨促进铁粉末在PP基体中 的均匀分散。本研究为从大到小比ottom to Up)制备金属微粒分散性良好的聚 合物/金属复合材料提供新原理、新方法。 三、本文利用磨盘碾磨成功实现废旧轮胎橡胶(WTR)的常温粉碎。WTR 的比表面积随碾磨次数增加而增大,碾磨25次WTR比表面积由0刀073mz/g增 大为 7二304 m勺g,表明磨盘碾磨在制备高表面活性的橡胶粉末独具优势。粒度 分布和电子显微镜结果表明胶粉的粒径为微米级。DTG1G分析结果表明橡胶 的热降解活化能随碾磨次数增加而下降,ESCA分析表明碾磨的力化学效应导 致WTR与空气中的氧产生氧化反应。 BET比表面积、粒度分布和SEM分析表明,PP/WTR共碾磨初期主要发 生颗粒破裂细化,粉碎作用为主;碾磨后期,碾磨主要起混合作用,碾磨导致 复合粉体比表面积下降,碾磨20次后比表面积下降为0.30 inZ哈(碾磨14次的 比表面积为 4.16mZ咆* PP与 WTR复合形成结合紧密的复合粉体。研究结果表 明与共混树脂共碾磨可改善WTR胶粉的分散性。 研究结果表明 PP和 WTR共碾磨有利于改善复合材料的加工流变性能和橡 胶粒子在基体树脂 PP中的分散性。添加 15%经过与 PP共碾磨的胶粉制备的 复合材料抗冲强度由 3.of kJ/m’增大为 5.sl kJ八研究结果表明共碾磨能更 有效地改善PP的韧性。PP/WTR复合材料断面形貌和DMTA研究结果表明, 共碾磨能促进胶粉在PP基体中的分散性,提高材料的阻尼因子和抗冲击强度。 XRD研究PP/WTR复合材料存在p一六方晶型的PP,p一晶含量随WTR含量 增加而增大,WTR含量为20%、30%、40%的复合材料中PP的p一晶含量分别 为8.6%、12.6%J6.9%(占PP全部结晶的百分比);在同样成型和冷却条件下, 加入单独碾磨的WTR得到的复合材料则未出现p一晶,表明p一晶的产生与WTR 的形态结构有关,共碾磨导致卜晶的形成。共碾磨导致复合材料微观形态结构 变化将为通过力化学过程控制复合材料的形态结构提供实验依据。 摘 要 四、本文利用共碾磨制备的 PP”e和 PP/WTR复合材料具有较高阻尼性能, 通过一步法发泡成型的PP/WTMe复合材料是一种具有多孔吸声、阻尼吸声和 共振吸声性能的吸声降噪材料,其低频吸声性能和平均吸声系数随碾磨次数增 加而有较大幅度提高。


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