三螺杆挤出中螺杆组合对硅灰石/聚丙烯复合材料力学性能的影响

摘要

近几年来，无机填料增强增韧塑料的研究是材料研究的重点。天然硅灰石作为一种纤维状无机物，可替代价格较贵的玻璃纤维、碳纤维及危害人体健康的石棉等增强填料。然而硅灰石粉与有机聚合物的表面性质不同，相溶性极差，混合料流动困难，导致硅灰石在有机基体中分散不均匀，沿料流取向性不好，界面结合不充分，制品的力学性能下降，限制了硅灰石填料在有机聚合物中的应用。为此本文采用三螺杆挤出机进行共混造粒，该设备是针对聚合物共混加工而设计的，其螺杆为“一”字排列，等长等径，同向旋转，具有高效低耗、剪切作用强、混合分散效果好等特点。 螺杆几何学是挤出机设计理论中的基础，是保证整个机器正常运作的前提。本文对三螺杆几何学作出了初步分析，其中包括三螺杆挤出机的基本结构、几何参数与性能以及输送、混合机理。结合各螺杆元件类型、结构、排列方式，阐述了各螺杆元件的功能特性、影响因素以及螺杆组合的基本原则。针对硅灰石、聚丙烯的特性，对螺杆元件类型、数目及排列顺序进行有机组合，将不同功能的螺杆元件(包括螺纹元件、捏合元件、混炼元件等)按一定的要求和顺序套在螺杆芯轴上，优化设计了一种制备硅灰石/聚丙烯复合材料的螺杆组合。 将这种优化的螺杆组合，与另外两种不同特性的螺杆组合进行比较实验。将三种不同粒度的硅灰石和聚丙烯简单共混，然后应用三螺杆挤出机挤出，注塑成标准力学性能测试样条，测试不同试验条件下复合材料的力学性能。在此基础上，使用SEM观察三种螺杆组合下复合材料液氮脆断面的形貌和两相的分散结构。 试验结果表明：三螺杆挤出中，齿形盘有利于分布混合，硅灰石在聚丙烯基体中的分散均匀、相溶性较好、沿料流方向高度取向。剪切作用强烈的90°中性捏合块将会破坏硅灰石长径比，增强效果不明显，不适合于制备硅灰石/聚丙烯复合材料。硅灰石粒径过大，难以分布均匀，沿料流取向性不好；粒径过细，团聚的可能性也较高，再加上粒径过细，极容易破坏其长径比，达不到增强效果。综合来说，优化螺杆元件组合，选择适当粒径的硅灰石，其综合力学性能也最佳。

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硅灰石增韧增强聚丙烯研究进展

1.1.1塑料的力学性能及其影响因素

1.1.2硅灰石/聚丙烯复合材料的性能研究

1.2混炼类螺杆挤出机的发展

1.2.1单双螺杆挤出机的发展、研究现状

1.2.2单双螺杆挤出机的局限性

1.2.3三螺杆挤出机的发展

1.3本文的主要技术路线及主要研究内容

1.3.1本文的主要技术路线

1.3.2主要研究内容

1.4本文的研究意义

1.5本章小结

第二章三螺杆挤出机及其挤出混合理论

2.1三螺杆挤出机的几何学

2.1.1三螺杆挤出机的基本结构

2.1.2积木式组合螺杆

2.1.3三螺杆的几何参数及其影响

2.2三螺杆挤出理论

2.2.1强制固体输送

2.2.2熔融

2.2.3熔体输送

2.3三螺杆挤出机的混合机理

2.3.1混合目的

2.3.2混合机理及分类

2.3.3三螺杆的剪切、细化、拉伸作用

2.4本章小结

第三章螺杆构型和螺杆的组合设计

3.1常用螺杆元件

3.1.1螺纹元件

3.1.2捏合盘元件

3.1.3齿形盘元件

3.2螺杆元件排列的功能分析

3.2.1螺杆元件的功能分析

3.2.2捏合盘连续或间隔排列对混合的影响

3.2.3齿形盘连续或间隔排列对混合的影响

3.3螺杆元件的选择依据

3.4螺杆构型设计

3.4.1螺杆局部构型设计

3.4.2螺杆整体构型设计

3.5本章小结

第四章制备硅灰石/聚丙烯复合材料螺杆组合设计

4.1填充体系塑料的形态结构

4.1.1填充改性

4.1.2填充塑料的形态结构

4.1.3硅灰石/聚丙烯填充体系的形态结构

4.2制备硅灰石/聚丙烯填充体系螺杆组合要求

4.3螺杆组合方案优化

4.4本章小结

第五章实验

5.1实验目的、方案、物料以及主要内容

5.1.1实验目的

5.1.2实验方案

5.1.3实验物料

5.1.4实验主要内容

5.2实验设备

5.3测试设备

5.4测试介绍

5.4.1功率测试介绍

5.4.2力学性能测试介绍

5.4.3扫描电子显微镜(SEM)测试

5.5实验数据分析

5.5.1硅灰石/聚丙烯复合材料的增强效果

5.5.2不同转速下螺杆组合对产量和功耗的影响

5.5.3不同转速下螺杆组合对复合材料力学性能的影响

5.5.4螺杆组合对不同混合物料力学性能的影响

5.5.5螺杆组合对复合材料微观结构的影响

5.6本章小结

第六章结论与建议

6.1结论

6.2不足与建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

评定意见