微孔發(fā)泡聚烯烴及其復(fù)合材料發(fā)泡行為和力學(xué)行為的研究.pdf

1、微孔發(fā)泡聚合物與普通發(fā)泡聚合物不同,具有良好的綜合力學(xué)性能;作為結(jié)構(gòu)材料在交通運(yùn)輸、汽車、軍工、航天航空等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用?？墒?制備細(xì)小、均勻而致密的泡孔和提高強(qiáng)度、韌性一直是發(fā)泡聚合物研究中急需突破的技術(shù)難題。
　　 國內(nèi)外物理發(fā)泡采用的是加入超臨界氣相,已經(jīng)有相對(duì)成熟的理論,但物理發(fā)泡的成型設(shè)備價(jià)格昂貴。而化學(xué)發(fā)泡中氣相不是超臨界狀態(tài),是通過形成過飽和狀態(tài)而釋壓的發(fā)泡;因此,氣相-熔體相的熱力學(xué)過程是聚合物發(fā)泡中需要解決的

2、關(guān)鍵問題之一;特別是聚合物中添加固相后,氣相在熔體相-固相界面的成核過程、增長及定型過程對(duì)改善泡孔質(zhì)量起著至關(guān)重要作用;目前的工作大多是固相的種類、含量、表面狀態(tài)與發(fā)泡過程的關(guān)系,雖然提出了異相成核理論、自由體積理論、熱點(diǎn)成核理論以及氣泡長大過程中的海島模型和細(xì)胞模型,但這些理論和經(jīng)驗(yàn)公式的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尚有一定差距。對(duì)于微孔發(fā)泡材料的力學(xué)行為,前人得到的大多是發(fā)泡材料密度與力學(xué)性能的關(guān)系,而泡孔大小、分布與發(fā)泡材料力學(xué)性能之間的關(guān)系以

3、及氣、液、固三相共存時(shí)材料的增強(qiáng)增韌機(jī)理還未見系統(tǒng)研究;因此,加入固相后,如何有效控制熔體相-固相界面對(duì)氣相的成核、長大過程以及氣相-熔體相-固相共存時(shí)提高材料的力學(xué)性能是微孔發(fā)泡材料中最需要解決的關(guān)鍵問題。
　　 本文選用通用樹脂聚烯烴為基材,以化學(xué)發(fā)泡注塑成型技術(shù)為主線,一方面以雜質(zhì)成核理論為基礎(chǔ),分析了泡孔的形成與演化規(guī)律,揭示熔體相-固相界面對(duì)氣相成核、長大過程的微觀機(jī)制。另一方面以填充增強(qiáng)機(jī)理為基礎(chǔ),系統(tǒng)研究了氣相存在

4、時(shí)固相對(duì)熔體相的增強(qiáng)增韌機(jī)理;同時(shí)建立微球力學(xué)模型,分析了泡孔大小、分布與力學(xué)性能的關(guān)系,為高性能微孔發(fā)泡聚合物材料的開發(fā)提供了重要理論依據(jù)和方法。論文研究取得了以下主要成果:
　　 ①分析了聚丙烯中液相與氣相的熱力學(xué)轉(zhuǎn)變過程,計(jì)算得知聚丙烯的臨界成核半徑r*為117.42nm,只要微孔發(fā)泡體系中具備低勢(shì)能點(diǎn)界面,氣相的異相成核便在界面上自發(fā)進(jìn)行;聚丙烯材料發(fā)泡的前期過程轉(zhuǎn)化為低勢(shì)能點(diǎn)界面對(duì)氣體分子的吸附和釘扎過程。
　　

5、 ②在聚丙烯中添加無機(jī)相后,對(duì)比表面積較大、潤濕性較好和片層狀的無機(jī)相,其發(fā)泡質(zhì)量較理想;通過無機(jī)相的特性、形態(tài)、粒徑的優(yōu)化,納米級(jí)無機(jī)粉體材料的成核作用比微米級(jí)明顯,片狀材料的成核作用優(yōu)于針狀和球狀材料。在聚丙烯中添加含量為5％的片狀Nano-MMT發(fā)泡效果較理想,可以得到表觀密度下降15-20％、泡孔密度達(dá)100個(gè)/cm3數(shù)量級(jí)、泡孔尺寸15.7μm和泡孔均勻分布的微孔發(fā)泡聚丙烯材料。
　　 ③研究了相同發(fā)泡倍率下不同泡孔

6、尺寸對(duì)材料力學(xué)性能的影響規(guī)律,揭示了泡孔微結(jié)構(gòu)與材料力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性;建立微球模型,模型計(jì)算結(jié)果與宏觀性能的規(guī)律有很好的重現(xiàn)性;即泡孔平均尺寸越小以及尺寸分布越均勻,材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度提高越明顯。為制備高強(qiáng)度、高韌性微發(fā)泡材料提供了理論指導(dǎo)依據(jù)。
　　 ④系統(tǒng)研究了氣相-熔體相-固相三相并存狀態(tài)下微孔發(fā)泡聚丙烯材料增強(qiáng)增韌機(jī)制,揭示了微孔發(fā)泡過程中氣相弱化固相增強(qiáng)效果的內(nèi)在規(guī)律;在PP/玻纖復(fù)合材料中引入氣相后,改性的微孔