硅橡胶/热塑性聚氨酯TPV微相结构形成机理及性能调控

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热塑性硫化胶(Thermoplastic vulcanizate,TPV)是一种特殊的热塑性弹性体,一般通过动态硫化技术制得。TPV主要组分为橡胶及热塑性塑料,因此其兼具这两类材料的特性,如高弹性和易加工等,并具有独特的“海-岛结构”。TPV为先进绿色弹性体材料,因其卓越的性能广泛应用在建筑、电子电器、汽车制造等行业。随着人类对材料性能的需求日趋苛刻,多种特种TPV被开发设计出来,硅橡胶(SiR)/热塑性聚氨酯(TPU)TPV也因此应运而生,SiR/TPU TPV因其良好的肤感及较宽泛的使用温度成为一种不可替代的新兴材料,但目前对其微相结构形成机理及结构-性能关系的研究报道较少,并且暂无统一认知。因此,本课题主要研究了SiR/TPU TPV动态硫化反应加工过程中的微相结构形成机理、结构-性能关系;通过改变白炭黑(SiO2)用量调控橡塑两相粘度比及螺杆转速调控剪切作用,探究了其对TPV微相结构及性能的影响。主要研究内容及结论如下:(1)基于高温加硫动态硫化工艺,探明了橡胶相交联程度、橡塑相态结构及橡胶网络结构在动态硫化反应加工过程中的演变规律,揭示了SiR/TPU TPV的微相结构形成机理。发现随动态硫化时间延长,SiR分散相尺寸逐渐变小,SiR相形态为圆润的椭球形,与文献报道的不相容性橡塑共混体系TPV相态结构明显不同。这主要是因为高温加硫动态硫化过程中含氢硅油(Si-H)和铂催化剂(Pt)未预分散在SiR相中,硫化速度相对较慢,其相态发展机理为剪切破碎、融并和原位交联同时进行。(2)在SiR/TPU TPV微相结构演变机理的基础上,研究了微相结构-性能关系。发现随着动态硫化反应时间的延长,SiR/TPU TPV橡胶相粒径(dn)及塑料基体层厚度(ID)减小,粒径分布变窄,大粒径橡胶相显著减少,样品的力学性能和弹性均提升,流变性能变好。(3)通过在SiR内加入SiO2来改善橡塑粘度比,实现对SiR/TPU TPV微相结构及性能的调控。发现SiO2会吸附液体硫化助剂并对TPV的动态硫化过程产生不利影响,SiO2倾向于分布在SiR内,并且其用量存在阈值,当超过临界值时,TPV样品的微相结构及性能反而会随着用量的增加而变差。(4)通过双螺杆挤出机成功制备了SiR/TPU TPV样品,首先探究了TPV后加工方法(注射成型和模压成型)对样品相态结构和性能的影响,发现较之模压成型,注射成型样品相态结构更精细,力学性能和弹性更优异。进一步基于注射成型后加工方法,研究了动态硫化过程中螺杆转速对SiR/TPU TPV的微相结构及性能的影响。发现随着螺杆转速增加(200 r/min至400 r/min),TPV的相态变得更精细,力学性能和弹性均更优异;进一步提高螺杆转速至600 r/min,其相态和性能均不再发生明显变化。
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