热塑性微孔塑料动态成型泡孔形态及开孔行为因素研究

摘要

开孔微孔塑料是指塑料泡体中的泡孔不是封闭的，气泡间相互连通，泡沫体中的固体仅仅只是孔穴的棱边。独特的开孔结构能够使微粒和流体在泡沫内流动，通过精确控制开孔微孔泡沫塑料的结构和泡孔的大小，就可以控制通过材料颗粒的大小，起到分离的作用。开孔微孔塑料广泛应用于化工，生物医学、航空、包装、建筑等领域。 本文的工作首先和本课题组一起构建了动态发泡挤出系统，用这套系统配置不同的毛细管口模可以测量不同压力、不同超临界CO2含量、不同振动系数下聚合物/超临界CO2熔体的在线流变性能。通过实验发现，CO2的加入促进了聚合物熔体的塑化，并且随着含量的增加而增加，加入振动使PS/CO2共混物塑化作用进一步加强，黏度进一步降低。 然后利用该系统测量的表观粘度根据Cross—Carreau方程拟合出动态加工中PS/CO2黏度计算方程，用此方程对动态加工中气泡成核和长大进行数值模拟。找出不同参数对气泡成核与长大的影响，通过仿真发现，振动增加成核，说明振动是提高成核率的有效途径。结合微孔开孔发泡理论分析可知，提高温度，升高压力，延长发泡时间是形成开孔的重要条件。 用动态模拟发泡装置，研究了动态发泡过程中气泡的形态及开孔行为，通过研究可得出：在PS动态开孔发泡成型中，增加压力是增加气泡密度减小气泡半径的一个重要热力学条件，压力的增加更易在较低的温度下得到开孔结构；振动的加入，增加了成核密度使产生开孔结构时的温度降低，同时使开孔率增加。 结晶型聚合物PP与非结晶型聚合物PS共混发泡时(50/50)，PP以块状结构与PS一起形成共连续相结构，温度在PP熔融峰值以下，发泡在PS相产生，由于气泡周围有PP相包围，气泡壁较难破裂，不易形成开孔结构；温度略高于PP熔融峰值时，黏弹性PP相受到气泡膨胀的张力而拉伸，由于此时PP与PS存在熔体强度与黏度的差异，本已拉紧的PS(此时熔体强度比PP低)受到PP的附加拉伸作用而产生破裂，这就有开孔结构的产生，由于PS/PP共混体系的熔体强度较低，此时开孔结构孔径较大。当两种结晶温度相差较大的聚合物PP/LDPE(60/40)共混发泡时，LDPE上的支链增加了分子之间的缠结，共混体系成织态结构，当发泡温度略高于PP熔点时，由于PP相(此时为黏弹性)受到气泡膨胀的拉伸作用从而拉动黏度和熔体强度较低的LDPE，LDPE受到这附加的拉伸力就容易产生断裂，开孔结构也就产生，由于PP/LDPE混合体系的熔体强度较高，所以开孔结构孔径较小。振动场的加入，提高了这些开孔结构的开孔率，得到分布更匀的开孔结构。 如上所述，本论文从实验和理论两方面对微孔塑料气泡形态及开孔行为进行研究。采用挤出成型微孔开孔泡沫塑料目前国内未见有资料报道，所以论文研究成果对如何控制泡孔形态及开孔行为，优化工艺参数，为进一步深入开展微孔开孔泡沫塑料的研究，拓宽微孔开孔塑料的应用领域具有实际意义。

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引言

1.2微孔开孔发泡成型方法

1.3.将振动力场引入到微孔塑料的制备过程中

1.4本论文的研究内容和意义

1.4.1研究内容

1.4.2研究意义

1.5本章小结

第二章 动态剪切在线粘度的测量和动态剪切成核理论模型的研究

2.1微孔塑料的经典成核理论进展简介

2.2动态力场下PS/CO2溶体在线粘度的测量

2.2.1实验装置的设计

2.2.2理论模型

2.2.3实验装置和材料

2.3实验结果和讨论

2.3.1 PS在不同剪切速度下熔体粘度的在线测量

2.3.2 PS/CO2溶液在不同剪切速度和不同的CO2浓度下熔体粘度的在线测量

2.3.4 PS/CO2溶液在不同剪切速度和不同的CO2浓度不同振动系数下熔体粘度的在线测量

2.4动态力场下气泡成核数学模型

2.5动态剪切成核计算结果分析

2.5.1参数的确定

2.5.2动态成核仿真分析

2.6本章小结

第三章气泡长大与聚合物/CO2溶液粘度变化耦合的理论研究

3.1两种基本的气泡长大物理模型

3.1.1海岛模型

3.1.2细胞模型

3.2气泡长大与聚合物/CO2溶液粘度耦合数学模型

3.2.1模型条件假设

3.2.2气泡膨胀过程中的基本方程

3.2.3气泡长大时粘度变化与长大相互耦合的控制方程

3.3数学模型的求解

3.3.1方程组的离散化

3.3.2控制方程组的无量纲化

3.3.3各种初始条件和参数的确定

3.4耦合模型的结果分析

3.4.1气泡半径R值的长大仿真过程

3.4.2数值模拟及结果分析

3.5本章小结

第四章开孔发泡理论

4.1开孔理论的组成

4.1.1气泡接触模型

4.1.2气泡破裂模型

4.2气泡破裂时间算例

4.3形成开孔结构时不同工艺条件的预测

4.4本章小结

第五章实验原料、设备和方法

5.1实验目的

5.2原料

5.3实验设备和仪器

5.3.1动态发泡模拟装置

5.4实验方法

5.5试样的制备与表征

5.5.1取样方式

5.5.2试样气泡密度的确定

5.5.3试样气泡直径的确定

5.5.4试样开孔率的确定

5.6本章小结

第六章PS均相成核时不同力场下气泡形态及开孔行为研究

6.1 PS熔体强度研究

6.2 PS泡沫泡孔形态研究

6.2.1稳态加工过程时的泡孔形态研究

6.2.2复合剪切加工过程时的泡孔形态研究

6.2.3不同压力释放速率时的泡孔形态及开孔形为的研究

6.2 PS泡沫开孔行为的研究

6.3本章小结

第七章 不同力场下非均相成核气泡形态及开孔行为实验研究

7.1成核剂类型，含量及粒度对气泡形态的影响

7.2不同振动参数下含成核剂的气泡形态及开孔行为的研究

7.3不同力场下不同聚合物共混时气泡形态及开孔行为的研究

7.3.1不同黏度聚合物共混产生开孔的原因

7.3.2不同力场下PS/PP共混气泡形态及开孔行为的研究

7.3.3不同力场下PP/LDPE共混气泡形态及开孔行为的研究

7.4不同开孔塑料开孔行为的分析

7.5本章小结

结论及展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢