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弹性体及无机刚性粒子增韧增强聚丙烯复合材料的研究

张玲  
【摘要】: 聚合物复合材料的制备是实现高性能聚合物材料的重要途径之一,本论文采用茂金属催化剂合成的新型聚烯烃弹性体乙烯-辛烯共聚物(EOC)代替传统的三元乙丙橡胶,对EOC和CaCO_3两种增韧剂分别和协同增韧增强聚丙烯复合材料体系的形态结构与性能的关系进行了系统的研究,围绕高性能、应用探索和理论研究三个方面作了较为深入的探索和分析,获取了很多有价值的信息,为高性能聚丙烯复合材料的开发和应用作了理论铺垫,主要结果如下: 1.研究了PP/EOC体系流变和结晶行为,发现随辛烯含量的增加,EOC流动性变差,与PP的界面粘结能增大,即相容性提高,对PP结晶的阻碍作用增强。 2.研究了粘度比、界面相互作用、加工条件和共混比例等因素对PP/EOC体系分散形态和性能的影响,发现粘度比小和加工过程中剪切强度大有利于弹性体在基体中分散均匀细化;粘度比小、界面相互作用强、弹性体本身的流动性好及成型时受到的剪切应力大,使弹性体相易变形,沿流动方向取向呈纤,阐明了各因素对形态影响的作用机制,这对PP/EOC共混物的形态控制具有重要的指导作用。由弹性体相形成的软纤不但没有增强作用,还会抑制韧性的提高,揭示了弹性体相分散均匀细化及取向程度小有利于材料冲击韧性的提高,一定大小的弹性体区域将会产生最大的韧性,此区域过大或过小都会降低韧性。 3.将CaCO_3与PP进行填充复合,研究了CaCO_3含量、粒径及形状对体系的结晶,分散形态及性能的影响,发现碳酸钙的加入使聚丙烯α晶型垂直于(110)、(040)和(130)晶面的表观晶体尺寸减小,揭示了在分散均匀的情况下,影响材料韧性的主导因素不是晶粒尺寸的减小,而是碳酸钙的粒径,纳米 张玲:弹性体及无机刚性粒子增韧增强聚丙烯复合材料的研究 碳酸钙的增韧效果明显优于微米碳酸钙。 4.比较 PPffiOC和 PPCaCOs二体系的增韧行为,发现加入 EOC和 CaCOs 都能增韧PP,首次验证了新型弹性体EOC和无机刚性粒子CaCOs增韧PP的机 理符合Wu氏逾渗理论,二体系发生脆韧转变的基本条件是基体带厚度L小于 临界基体带厚度人(。0刀9匆m人指出用弹性体和无机刚性粒子作聚丙烯的增 韧剂各有所长,在相同基体带厚度L下,弹性体提高韧性的程度明显高于 C3CO3,C3CO3则使聚丙烯的模量、硬度和热变形温度等明显提高。 5.针对以往对聚合物/弹性体/无机刚性粒子复合材料增韧机理的研究局限 于定性的解释,缺乏系统深入的研究和定量化的分析,我们将EOC和CaCO。 结合起来增韧增强聚丙烯,研究了组成比、填料粒径及形状、弹性体性质、分 散形态和基体类型等一系列因素对PP用OCcaCO3复合材料性能的影响,揭示 该体系发生脆韧转变的基本条件是L<人(。0.095Pm人证明以上各因素对体 系韧性行为的影响均符合逾渗脆韧转变机制,给出了不同分散形态下该体系的 微观形变模型,说明人作为nnraoc亿aco】复合材料脆韧转变的单参数判据具 有一定的可行性,将逾渗理论用于聚合物/弹性体/无机刚性粒子复合材料脆韧转 变的研究在国内外尚未见文献报道。 6.首次将聚合物复合材料脆韧转变机理的定量化研究从二元体系拓宽到三 元体系,对PPffiOC℃aCO3体系的配方进行设计,制备得到高刚性高韧性低成 本的聚丙烯复合材料,EOC和CVCO3的体积份数之和为25V*%(其中弹性体 相为10V。l%)时,与PP纯树脂相比,冲击强度提高了950%,而且杨氏模量提 高了7%;与聚丙烯/弹性体(7/25V。l%)相比,冲击强度提高了15%,杨氏模 量提高了u.7%,而且弹性体用量从25VOI%降至10VOI%,成本大大降低。还 证明了该理论对于制备高刚性高韧性高流动性低成本的聚丙烯复合材料具有重 要的指导作用,可根据实际需求(流动性、刚性与韧性的匹配)来选择基体和 设计聚丙烯复合材料的组成比,为高性能、低成本的聚丙烯复合材料工业化打 下了良好的基础。


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