论文部分内容阅读
熔融共混法是制备聚合物基纳米复合材料最常用的加工方法之一。该方法的难点是纳米粒子的分散问题,如何有效控制纳米粒子在基体中的分散性是该技术的关键。聚合物基纳米复合材料加工过程所处的加工流场是影响纳米粒子混合分散的一个重要因素。相比传统的剪切形变支配的螺杆式聚合物加工设备,新型的拉伸形变支配的无螺杆式聚合物加工设备具有热机械历程短、混合分散性好、加工能耗低等优点。偏心转子挤出机是新型的体积拉伸形变支配的聚合物成型加工设备,可以实现聚合物基纳米复合体系从固体到熔体全程受体积拉伸形变作用支配的加工过程。利用偏心转子挤出机,系统地研究体积拉伸形变作用下不同维度纳米粒子在基体中的混合分散机理以及纳米粒子的分散性对复合材料结构与性能的影响,对制备高性能纳米复合材料及丰富和发展体积拉伸形变加工理论及装备具有十分重要意义。本文详细地分析了偏心转子挤出机的塑化输运过程,并建立了偏心转子平直段的物理模型和数学模型,说明了偏心转子挤出机塑化输运过程受体积拉伸形变支配,揭示了体积拉伸形变作用下纳米填充体系经历连续周期性地“压缩-膨胀”混合混炼过程而实现多梯度渐进分散的混合机理。研究体积拉伸形变作用下制备的PP/零维Nano-TiO2纳米复合材料的混合分散特点及其结构性能,利用SEM、TEM对复合材料的分散形貌进行观察,利用TG、DSC和XRD对纳米复合材料的热稳定性和结晶性能进行研究,同时还研究了复合体系的流变性能和力学性能。结果表明,Nano-TiO2在基体PP中分散较好,呈现纳米尺度分散;加入Nano-TiO2后,复合体系的热稳定性明显提高,当Nano-TiO2含量为5%时,复合材料的5%失重温度和50%失重温度分别较PP提高了38.4℃和14.1℃,复合体系的结晶行为和熔融行为变化较小,复合体系的储能模量和损耗模量以及复数粘度都明显增加,同时纳米复合体系松弛过程更复杂;与剪切形变支配的单螺杆挤出机制备的PP/Nano-TiO2纳米复合材料相比,Nano-TiO2的分散性更好,复合材料的综合力学性能更优。研究体积拉伸形变作用下制备的PP/一维MWCNTs纳米复合材料的混合分散特点及其结构性能,MWCNTs在PP中分散均匀,当含量超过1%后,出现了少量的MWCNTs团簇;MWCNTs的加入使得复合体系的热稳定性显著提高,当MWCNTs含量为5%时,复合材料的5%失重温度较PP提高了31.4℃,同时MWCNTs在基体中起到了异相成核作用,XRD测试发现当MWCNTs含量为0.5%时,复合材料在19.9°处出现了PP的γ晶型衍射峰,当MWCNTs含量超过1%后,复合体系的流变性能发生较大变化。研究体积拉伸形变作用下制备的PP/二维Nano-MMT纳米复合材料的混合分散特点及其结构性能,当Nano-MMT含量不超过3%时,复合体系中Nano-MMT分散均匀,当Nano-MMT含量超过3%后,Nano-MMT的团聚量逐渐增多。TEM观察表明低Nano-MMT含量下,复合体系中Nano-MMT主要以剥离状态存在,高含量下,Nano-MMT主要以插层结构存在。Nano-MMT可以改善复合体系的热稳定性,在PP结晶时起到异相成核作用,Nano-MMT会提高复合体系的模量和复数粘度,当含量为9%时,复合体系的模量和复数粘度达到最大,微结构发生了较大的变化,MMT含量在1%-3%范围内,复合体系综合力学性能较好;与传统双螺杆挤出机制备的PP/Nano-MMT复合体系相比,Nano-MMT的分散更均匀,团聚体较少,蒙脱土剥离程度更高,复合材料的综合力学性能更优;对于偏心转子挤出的加工工艺,当偏心转子挤出加工过程加工温度在200-210℃范围内,加工转速为30-45rpm时,复合体系中MMT分散更好,层间距更大,复合材料储能模量和损耗模量都达到最大,综合力学性能达到最佳。研究体积拉伸形变作用下制备的PP/PS及其纳米复合材料,PP与PS两相分散均匀,Nano-MMT加入后起到了明显的增容效果,分散相PS的粒径分布宽度和平均粒径都逐渐减小,复合体系的热稳定性和力学性能都得到提高,Nano-MMT发生了明显的插层,且插层后的层间距较PP/Nano-MMT体系中Nano-MMT的更大,相比零维Nano-TiO2和一维MWCNTs,二维Nano-MMT对PP/PS复合体系的增容效果更好。PP/Nano-MMT复合体系中,Nano-MMT片层堆在体积拉伸形变作用下以一种近似正弦曲线路径发生剥离和分散,并因此提出拉伸形变作用下MMT的“双层正弦渐进剥离”的分散和剥离机理;在PP/PS/Nano-MMT复合体系中,MMT在体积拉伸形变作用力和PP与PS的界面作用力下协同完成插层和剥离,从而使得MMT剥离更有效、更容易,并因此提出MMT的“界面协同体积拉伸形变诱导剥离”机理。基于理论分析和实验结果,表明体积拉伸形变作用支配的偏心转子挤出机制备聚合物纳米复合体系具有显著优势,体积拉伸形变作用相比剪切形变作用具有更好的混合分散效果。本文的研究成果为体积拉伸形变支配的偏心转子塑化输运设备的应用及推广提供了重要的理论和实验依据。