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短纤维和POE增强增韧PP泡沫复合材料的制备及性能研究

杨继年  
【摘要】:绿色环保的聚丙烯(PP)泡沫材料具有优异的物化、力学性能和易再生、易分解等环境友好特性,其研发受到国内外的广泛关注。本文首先综述了聚合物基泡沫复合材料的研究进展,然后用SEM、DSC、FT-IR、XRD和图像分析软件等现代测试分析手段和相应制备技术,研制了复合发泡剂,优化了PP泡沫材料的配方和型内二次发泡工艺参数,进而较系统地研究了短纤维、弹性体及界面相容剂对PP泡沫复合材料增强和增韧的影响,着重分析了共混体系的发泡效果和界面结构的演变及其对力学性能的影响机理。 研发的复合化学发泡剂具有分解温度低、热焓小且分解迅速的特点,且低密度聚乙烯(LDPE)与PP共混降低了体系的结晶度,提高了共混体的熔体强度,有效拓宽了体系的发泡窗口,改善了其可发泡性;通过优化原料的室温混合工艺、可发性粒料的制备工艺和发泡成型工艺,确定了具有最佳发泡效果PP泡沫的配方和参数为:LDPE/PP的质量比20/80,复合发泡剂的质量分数8%,发泡温度170~185℃,发泡时间135~150 min和表观密度为0.46~0.48 g/cm~3。 发泡效果分析表明,短玻璃纤维(SGF)或聚烯烃弹性体(POE)的引入能提高共混体系的熔体强度,有效改善其发泡效果,形成类球形闭孔结构,泡孔平均直径从0.946 mm分别降低为0.646 mm和0.560 mm,泡孔密度提高2~4倍;通过适当控制SGF与POE的共存比例,可制备出泡孔平均直径约为0.38 mm和泡孔密度提高15倍的SGF/POE/PP三元泡沫复合材料。适量的界面相容剂PP-g-MAH和POE-g-MAH的引入均促进了SGF/PP二元体系形成良好泡孔结构,改善孔径分布的均匀性,但其对SGF/POE/PP三元体系的影响迥异,前者能明显改善其发泡效果,而后者却导致了部分不规则泡孔和泡壁坍塌等负面效应。 界面性能研究表明,SGF经硅烷偶联剂表面预处理后显著降低了其与PP之间的界面张力,促进两者润湿并改善SGF在基体中的分散性,且相容剂的引入通过MAH基团与硅烷偶联剂所带氨基之间的界面化学反应,在SGF与基体之间的界面形成了化学键合,并在SGF/PP体系中观察到POE-g-MAH粒子在SGF的表面形成了颗粒粘附结构,显著增强了两者的界面性能。在POE/PP二元体系中,共混可促使POE以颗粒状均匀分布在基体中,并与PP具有较好的相容性;在SGF/POE/PP三元体系中添加PP-g-MAH并未改变POE粒子在基体中的分布状况,而POE-g-MAH的存在使POE与PP的界面相容性得到进一步改善,两者的界面结合更为紧密。 力学性能测试表明,添加SGF能显著提高SGF/PP泡沫复合材料的抗弯强度和冲击韧性,且应用具有不同强度和刚度的短碳纤维(SCF)与SGF进行混杂增强对提高力学性能具有正的混杂效应;随着POE的引入,POE/PP泡沫复合材料的冲击韧性大幅提高(增幅近6倍),但抗弯强度和压缩强度却逐渐下降,而其与适量SGF的复合改性能同时增强增韧PP泡沫复合材料。研究发现,PP-g-MAH和POE-g-MAH对PP泡沫复合材料的力学性能影响不同,前者有利于提高材料的抗弯强度和压缩强度(增幅为42%和25%),而具有弹性体特性的POE-g-MAH对冲击韧性具有更高的增韧效果(最大增幅达77%,远高于PP-g-MAH的35%)。添加20%的POE时,适量增加SGF的质量分数可显著提高SGF/POE/PP三元体系的压缩吸能特性,当SGF为30%时,其吸能能力提高了一倍多,而吸能效率在SGF为40%时达到最大值80.27%,高于POE/PP泡沫体系的77.17%。


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