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《四川大学》 2003年
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利用超高速混合器制备纳米碳酸钙/聚丙烯复合材料的研究

王港  
【摘要】: 聚合物复合材料的制备是实现其高性能化的重要途径之一。聚合物基纳米复合材料由于综合性能优越倍受人们关注,特别是熔融共混法制备聚合物基纳米复合材料由于工艺简便极具研究和商业价值。本论文针对熔融共混法制备聚合物/纳米无机粒子复合材料中纳米无机粒子难分散的问题,根据“纳米粒子表面有限钝化”机理,利用自行设计的超高速混合器对纳米碳酸钙进行有效的表面处理,制得了高性能的聚丙烯/纳米碳酸钙复合材料。对超高速混合器的结构、工艺设计及纳米碳酸钙在超高速混合器中的受力情况进行了研究,并就纳米碳酸钙的表面处理工艺对复合材料的力学性能、结晶及流变性能的影响进行了细致分析,主要结果如下: 1.从纳米粒子团聚机理及高速混合器混合原理出发,自行设计了处理无机纳米材料用的超高速混合器,已获实用新型专利一项、申请发明一项专利。对超高速混合器结构及工艺参数,如桨叶与混合锅壁间隙、上下桨叶形式、桨叶倾角、侧壁切刀、雾化喷嘴、叶轮转速及切刀转速等进行了设计或选型。 2.首次对高速混合器设计中的重要参数--下桨叶最大回转半径与混合锅内壁间隙内的纳米粒子所受动态剪切进行了数学模拟。建立了间隙中纳米粒子受力的物理模型,并在物理模型的基础上建立了初步的数学模型。针对具体情况,对间隙内纳米碳酸钙所受最大剪切力进行了估算,计算出不同间隙、不同叶轮转速下纳米碳酸钙所受最大剪切力,结合不同粒径纳米碳酸钙团聚强度的计算,为超高速混合器的转速设计提供依据。计算结果间隙设计为0.5mm,高速混合器转速4000r/min以上,即可满足粒径70nm以上纳米碳酸钙磨蚀的要求。证明纳米碳酸钙团聚体在超高速混合器中有进行破碎及有效表面处理的可能性。为 四川大学博士学位论文 处理粒径更小的纳米碳酸钙,超高速混合器转速设计为6000r/min,间隙为 0 .snlr以。 3.研究了高速混合器的放大问题,根据几何相似算法,对工业用超高速混 合器的放大进行了讨论及计算,以其剪切与混合效果作为放大的依据,在IOL 试验机的基础上成功放大并制造了500L工业用超高速混合器。高速混合器的 放大计算目前尚未见文献报道。 4.在利用高速混合器处理纳米碳酸钙制备纳米碳酸钙/聚丙烯复合材料的 研究中,发现新型超高速混合器(600or/mln)比传统高速混合器(1 000一2000 对min)能更有效地对纳米碳酸钙粒子进行表面处理。扫描电子显微镜(SEM) 观察表明经超高速混合器处理的纳米碳酸钙即使添加量较高(35%左右),在聚 丙烯中大多数也能以原生纳米粒子状态分散,从而获得性能优异的纳米碳酸钙/ 聚丙烯复合材料,冲击强度较普通高速混合器制备的复合材料高150%,较纯 聚丙烯高370%。经超高速混合器处理后的纳米碳酸钙一般在聚丙烯中添加 35wt%时,复合材料的冲击强度才达最大值,在保证复合材料力学性能的同时, 添加量较以前文献中有大量提高。 5.新型超高速混合器中采用剪切为主的周向流叶轮比传统的以混合为主 的轴向流叶轮能更有效地对纳米碳酸钙进行表面处理,所制得复合材料冲击强 度前者比后者最大可提高33%(添加35wt%);而且采用同样的剪切型叶轮时 较高转速(6000r/min)可比较低转速(3000r/min)获得更好地处理效果。所制 得复合材料冲击强度前者比后者最大可提高95%(添加35wt%)。说明纳米粒 子的表面处理和分散需要较强的剪切力与较高的能量。 6.研究表明,应用超高速混合器对纳米碳酸钙进行表面处理时,与处理微 米级填料不同,硬脂酸表面处理剂比含有较长有机键的钦酸醋、铝酸醋等偶联 剂效果更好。说明纳米碳酸钙的表面处理机理已与普通填料不同,表面处理剂 不再发挥界面粘接的作用,其主要作用已变为适当降低纳米粒子的表面活性, 防止其在聚合物基体中的团聚。利用超高速混合器对纳米碳酸钙进行表面处理 时,表面处理剂的用量也非常重要,处理微米级填料的单分子层理论计算处理 齐U用量的方法也不再适用。表面处理剂较合适用量经实验确定为4v改%左右, 此用量可较好地解决纳米碳酸钙良好分散与保持其高表面活性之间的矛盾。且 四川大学博士学位论文 在此添加量下,不可能对纳米粒子表面形成分子层包覆,因此与微米级粒子的 表面处理已有本质的区别。通过表面处理剂种类、用量对纳米碳酸钙/复合材料 力学性能及纳米碳酸钙分散形态影响的研究,初步验证了“纳米粒子表面有限 钝化机理”。 7.纳米碳酸钙的加入对纳米碳酸钙/聚丙烯复合材料的冲击性能影响显 著,纳米碳酸钙经过超高速混合器较好的表面处理,复合材料的冲击强度可提 高4倍以上,对不同粒径的纳米碳酸钙,粒径越小,增韧效果越明显。但对复 合材料的增强效果影响不明显,在纳米碳酸钙加入量较少时(10wt%以下),拉 伸强度略有提高,最多可提高ro%,之后随纳米碳酸钙的加入呈缓慢下降趋势, 但拉伸模量则随纳米碳酸钙加入量增大呈上升趋势。与传统的橡胶或弹性体增 韧聚丙烯方法相比,达到相同冲击强度时,纳米碳酸钙/聚丙烯复合材料拉伸强 度及模量有大幅度提高。 8.毛细管流变研究表明,
【学位授予单位】:四川大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TB332

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