基于流变性能的聚丙烯基纳米复合材料混炼类型-形态-力学性能研究

摘要

无机纳米粒子较难在聚合物基体中实现良好分散，这限制了聚合物基纳米复合材料的应用。目前解决这一问题的方法主要集中在无机纳米粒子的改性、相容剂的选择等，而通过改变聚合物加工中的混炼类型制备聚合物基纳米复合材料，改善无机纳米粒子在聚合物中的分散状态，并且以流变性能这一主线贯穿整个研究过程，研究纳米复合材料加工中混炼类型-微观形态-力学性能之间的关系，这一工作仍是崭新的，既具有理论研究意义，也具有实际生产指导作用。 本文采用实验与数值模拟相结合的方法，建立加工流场参数与纳米复合材料微观形态之间的关系。组合了两套双螺杆结构，记为S1和S2，在S2末端连接具有混沌混炼特征的静态混合器(S2+SM)和多边螺槽对流式单螺杆挤出机(S2+HP)，用以制备聚丙烯(PP)/纳米碳酸钙(CaCO3)复合材料和PP/改性蒙脱土(MMT)纳米复合材料。通过在线流变仪测量纳米复合材料的在线剪切黏度；采用旋转流变仪测量纳米复合材料以及S2沿程样品的动态黏弹流变性能；采用透射电镜(TEM)分析材料的微观形态，并测试材料的力学性能。采用有限元法对纳米复合材料在双螺杆挤出机内的流动进行理论模拟，获得材料经受的剪切应变。以测试获得的流变性能参数(屈服应力)为桥梁，首先建立屈服应力与纳米复合材料微观形态之间的关系，然后建立屈服应力与通过数值模拟获得的加工流场参数(剪切应变)之间的关系，最终建立微观形态与流场参数之间的关系。 采用S2+HP制备的两种纳米复合材料在线剪切黏度均低于采用S1和S2的情况，带来材料加工性能的提高。采用S1、S2和S2+HP制备的PP/纳米CaCO3复合材料，含量分别为5、10和15wt﹪时，其在线剪切黏度均低于纯PP的剪切黏度。从形态的角度分析原因是纳米粒子平均粒径较小时，减小了PP基体与纳米粒子之间的摩擦力，从而使纳米复合材料黏度降低。采用混沌混炼制各的材料拉伸模量均明显高于采用S1和S2的情况；PP/纳米CaCO3复合材料冲击性能在混沌混炼作用下有较大的提高，对于PP/改性MMT纳米复合材料，HP的加入也提高了其冲击性能，因此拓宽了此专利螺杆的应用范围。通过建立的加工流场参数与微观形态之间的关系，分析得出当PP/改性MMT纳米复合材料经受的剪切应变越大，MMT在基体中将会分散得更好，从而实现通过调节流场参数来控制纳米复合材料微观形态的形成，最终实现调控其力学性能的目标。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1聚烯烃/纳米CaCO3复合材料研究现状

1.1.1熔融共混制备

1.1.2流变性能

1.2聚合物/粘土纳米复合材料的研究现状

1.2.1熔融插层制备

1.2.2微观形态

1.2.3流变性能

1.2.4微观形态与流变性能的关系

1.2.5加工流场的影响

1.3混沌混合在聚合物加工中的应用

1.3.1聚合物共混

1.3.2聚合物/无机纳米复合

1.4本论文研究的意义、目的和主要内容

1.4.1本论文研究意义和目的

1.4.2本论文研究课题的来源及主要的研究内容

第二章实验原料、设备和方法

2.1实验原料

2.2实验设备

2.3混炼类型

2.3.1分散混炼

2.3.2分散+分布混炼

2.3.3分散+分布+混沌混炼

2.4配方和工艺条件

2.5本章小结

第三章纳米复合材料的流变性能

3.1在线流变性能测试

3.1.1仪器简介

3.1.2测试方法

3.2动态黏弹流变性能测试

3.2.1仪器简介

3.2.2测试样品制备

3.2.3测试方法

3.3稳态流变性能测试

3.3.1测试仪器

3.3.2样品制备

3.3.3测试方法

3.3.4屈服应力

3.4结果分析与讨论

3.4.1在线流变性能

3.4.2动态黏弹流变性能

3.4.3 PP/改性MMT纳米复合材料的稳态流变性能

3.4.4流变曲线的拓宽

3.4.5混炼类型对流变性能的影响

3.5本章小结

第四章纳米复合材料的微观形态

4.1微观形态的观察

4.2 PP/纳米CaCO3复合材料

4.2.1混炼类型的影响

4.2.2沿程微观形态演变

4.3 PP/改性MMT纳米复合材料

4.4本章小结

第五章纳米复合材料的力学性能

5.1力学性能测试

5.2结果与讨论

5.2.1 PP/纳米CaCO3复合材料

5.2.2 PP/改性MMT纳米复合材料

5.2.3混炼类型对PP基纳米复合材料力学性能的影响

5.3本章小结

第六章双螺杆挤出机内混炼特征的数值模拟

6.1数学模型

6.2螺杆元件的几何结构与网格划分

6.3边界条件和初始条件

6.4混炼特征

6.4.1分散混炼

6.4.2分布混炼

6.4.3混炼特征的统计分析

6.5模拟结果与分析

6.5.1分散混炼

6.5.2分布混炼

6.5.3剪切应变

6.6本章小结

第七章综合分析

7.1 PP/纳米CaCO3复合材料

7.2 PP/改性MMT纳米复合材料

7.3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