聚丙烯与聚二甲基硅氧烷及弹性体SBS共混体系的发泡行为研究

摘要

PP的泡沫塑料产品不仅节省材料、减轻重量，而且具有良好的韧性、耐热性、绝缘性、保温性、耐化学药品性以及可降解回收性，在工业上已逐渐成为PS、PU泡沫塑料的替代品，广泛用于食品、化妆品、电子产品的包装材料及汽车的内部件、隔音、隔热件等。
　　 本研究以制得具有良好泡孔结构的高膨胀比PP泡沫塑料为目的，采用理论与实验相结合的方法，研究了影响泡孔成核和长大的因素，通过共混改性的手段来改善气泡成核和气体扩散，从而改善PP泡沫塑料的泡孔形态以及膨胀比。
　　 为了与实际加工情况更好地吻合，假设气泡成核点是具有锥形界面的空穴。将成核点的表面几何特征与异相成核的自由壁垒以及临界泡核半径等参数联系起来，详细分析探讨了成核点表面几何特征以及接触角对异相成核的影响。理论分析发现：当接触角足够大时（大于50°），成核点截面的半锥角β越小使得异相成核的壁垒越小，越有利于异相成核的发生；当二者都很小时，将延缓异相成核的发生；接触角θ越大越有助于成核的发生。接触角与发泡体系的表面张力有关，在实际加工中可以通过选择合适的原料或界面改性来增大接触角。另外，也分析探讨了两种聚合物界面发生异相成核的可能性。
　　 本文采用间歇成型和连续挤出成型两种加工方法来制得PP泡沫塑料。在间歇发泡加工中，针对普通PP熔体强度低、对发泡剂CO2溶解度低、发泡成型难度大的特点，在选用高熔体强度PP作发泡基体的同时，利用CO2在PDMS中溶解度高的特点，在PP中引入PDMS，以改善和提高PP发泡成型性能。实验结果表明加入适量的PDMS可以显著增加泡孔密度，而且加入PDMS使得泡孔尺寸出现双峰分布。通过对PP/PDMS的发泡行为进行分析得出：在发泡过程中PDMS相主要是作为储气相来提供大量的CO2气体，促使界面成核以及PP相内成核。
　　 PP和弹性体的混合物由于其优异的力学性能已被广泛使用，为了了解这一混合物的发泡行为，对PP/SBS混合物进行了广泛深入的研究。实验研究发现：在PP中引入SBS相能显著改善制品的泡孔形态，引入PDMS后，三相混合物的泡孔密度进一步增加，泡孔尺寸也降低很多。为了获得更好的泡孔结构以及了解更低温度下发泡的可能性，采用了降温问歇发泡方法，虽然发泡温度远低于聚合物的结晶温度，但由于CO2气体的增塑作用，部分样品也能充分地发泡，最终制得了泡孔密度3．4×109个/cm3、泡孔直径6μm左右的PP泡沫塑料。
　　 在连续挤出发泡的研究中，采用高熔体强度PP来防止泡孔破裂，减少气体损失，同时利用CO2在PP和PDMS中溶解度和渗透能力的差别来改善发泡剂在发泡基体中的扩散，提高发泡剂的使用效率和改善成核，从而提高泡沫制品的膨胀比和泡孔密度。通过对PP/PDMS共混体系的发泡研究发现：混合物的泡孔密度和膨胀比都要比纯PP的高，加入PDMS后CO2的含量对发泡体系的泡孔密度影响降低；存在一个最佳的温度，使得制品的体积膨胀比达到最大；发泡剂的含量增加时，挤出物的体积膨胀比增加，获得最大膨胀比的温度降低；使用相同的发泡剂含量时，混合物获得最大膨胀比的温度比纯PP的低，混合物对CO2的使用效率要比纯PP的高很多；发泡剂含量从3％增加到5％时，PP的最大使用效率从33％降低到24％，而混合物的最大使用效率从60％升到70％。最终制得了泡孔密度在2×106个/cm3左右、最大发泡倍率为25倍的PP泡沫塑料。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:物理量名称及符号表

声明

第一章 绪论

1.1 概述

1.2 超临界CO2发泡剂

1.3 微孔塑料的制备方法

1.3.1 间歇发泡成型

1.3.2 连续挤出成型

1.3.3 注射成型

1.4 聚丙烯泡沫塑料

1.4.1 高熔体强度聚丙烯(HMSPP)

1.4.2 HMS PP发泡成型研究进展

1.5 本论文研究的内容

1.6 本章小结

第二章 发泡的理论背景回顾分析

2.1 溶解度和扩散系数

2.1.1 溶解度

2.1.2 扩散系数

2.2 发泡剂对发泡体系热性能参数以及粘度的影响

2.3 成核理论

2.3.1 均相成核

2.3.2 异相成核

2.3.3 其它相关理论考虑

2.4 泡孔长大

2.5 泡孔合并

2.6 本章小节

第三章 异相成核理论分析

3.1 固—液界面异相成核

3.1.1 聚合物发泡过程的热力学系统

3.1.2 热力学势的建立和自由能壁垒分析

3.1.3 θ、β的影响分析

3.1.4 成核速率公式的建立

3.2 液—液界面异相成核

3.3 本章小结

第四章 PP/PDMS共混物发泡行为研究

4.1 PDMS介绍

4.1.1 PDMS的表面张力

4.1.2 PDMS/超临界CO2体系的研究

4.1.3 CO2在PDMS和PP中的渗透性能的对比

4.2 研究目的及内容

4.3 实验材料及其设备

4.3.1 实验材料

4.3.2 实验设备

4.4 实验步骤及样品表征

4.4.1 实验步骤

4.4.2 样品表征

4.5 实验结果讨论与分析

4.5.1 不同分子量的PDMS对PP泡沫塑料泡孔形态影响

4.5.2 CO2在C—PP/PDMS混合物中的溶解度

4.5.3 不同温度条件下PDMS对PP的发泡行为的影响

4.5.4 PDMS含量及饱和压力对高熔体强度PP/PDMS发泡行为的影响

4.5.5 PP/PDMS共混体系的发泡模型

4.6 本章小结

第五章 PP/SBS混合物的发泡行为研究

5.1 研究目的及内容

5.2 实验

5.2.1 实验材料

5.2.2 实验设备

5.2.3 样品制备

5.3 实验结果及讨论

5.3.1 SBS在PP基体中的分散

5.3.2 PP/SBS共混体系的熔融及结晶性能

5.3.3 PP/SBS共混体系的流变性能

5.3.4 PP/SBS混合物发泡样品的泡孔形态

5.3.5 降温发泡时泡孔形态的分析

5.4 本章小结

第六章 PP/PDMS的连续挤出发泡成型

6.1 研究目的

6.2 泡孔膨胀机制分析

6.3 提高膨胀比的策略

6.3.1 原材料的选择

6.3.2 发泡剂的选择

6.3.3 其它提高膨胀比的措施

6.4 实验

6.4.1 实验材料

6.4.2 实验设备

6.4.3 实验过程

6.4.4 毛细管口模的压力降速率分析

6.4.5 样品表征

6.5 实验结果与讨论

6.5.1 加工参数对泡孔成核及其泡孔密度的影响

6.5.2 加工参数对体积膨胀比的影响

6.5.3 关于发泡剂CO2使用效率的分析

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢