微发泡聚烯烃发泡过程的研究及其模拟

摘要

现代科学技术的发展，要求聚合物材料具有更轻、更好的综合性能，以不断满足人民对美好生活的需求，微孔发泡聚合物材料成为可以满足上述要求的材料之一。微孔发泡材料是一种以气体为填料的新型材料，因存在弥散分布的泡孔，不仅有效降低石化原料的使用量及成本，同时兼具诸多优良的性能，可以作为结构材料被广泛应用于汽车、舰船、航空、医疗、包装、儿童用品等领域。要使发泡材料拥有较好的综合性能，则要求其具有较好的发泡质量，如泡孔尺寸较小、泡孔数较多及泡孔分布均匀等，而这些泡孔特征又取决于聚合物发泡材料的发泡过程。因此，对发泡过程的控制是获得较好发泡质量的关键，也是难点，解决这一问题对微孔聚合物材料的开发具有重要意义。 当前，对于发泡过程的研究主要以建立模型、终态形貌分析为主，但二者均不能真实地、定量地反映实际发泡过程中泡孔的形成及长大，很难实现对发泡过程的控制。因此，本研究采用简易光镜-热台可视化装置、微型可视化装置和注塑成型装置对聚丙烯、低密度聚乙烯等复合材料在不同条件下的发泡过程进行实时监控，获取整过发泡过程的泡孔形貌特征，并结合相关模型及SEM从泡孔的形核、长大角度揭示聚合物发泡过程的规律，为制备高品质微孔发泡聚烯烃材料提供理论指导。具体结论如下： (1)通过简易光镜-热台可视化装置，选择LDPE化学发泡过程进行原位可视化观察和表征，观察到发泡过程都经历三个阶段：一是发泡初期也就是欠发泡阶段，泡孔数量较少，泡孔尺寸小形态规则；二是均衡发泡阶段，泡孔数快速增加并很快达到稳定，泡孔尺寸较快长大，有部分泡孔开始发生变形；三是发泡后期也就是过发泡阶段，泡孔数基本保持不变，大部分泡孔发生明显变形，且随着时间的推移，少数泡孔出现贯通甚至破裂。 (2)本文采用简易光镜-热台可视化装置、微型可视化装置和注塑成型装置对聚丙烯复合材料在不同条件下的发泡过程进行实时观察和表征，结果表明：不同的观测方式都能验证，聚烯烃在发泡过程中都经历了三个阶段，即欠发泡、均衡发泡、过发泡阶段；同样，对于PA6在注塑成型发泡中都经历了三个阶段。 (3)根据异相形核理论，并借助数学分析方法，对聚烯烃发泡材料的形核过程进行了分析，得出在本实验条件下，LDPE发泡过程中泡孔的数量与时间的关系满足Boltzmann函数规律，泡孔形成的驱动力与周围树脂的阻力相互消长和平衡，在欠发泡、均衡发泡阶段泡孔的形成速率高于过发泡阶段，且泡孔形成的驱动力也高于周围树脂的阻力。同时，结合发泡剂热分解反应方程式、P-R气体平衡状态方程等，估算出泡孔临界形核半径大约在10nm数量级，即当形核尺寸大于临界，泡孔就可以自发长大。此外，通过高分辨SEM观察证实了这一数量级的小泡孔存在，进而验证了计算的合理性。 (4)通过对LDPE发泡过程中的泡孔长大过程进行理论分析和计算，结果表明：平均泡孔直径与时间的关系满足Logistic函数规律。同时，平均泡孔直径与时间的关系曲线进行一阶求导和二阶求导，揭示了泡孔长大速率和泡孔长大驱动力与周围树脂的阻力的平衡关系；此外，揭示了一个泡孔附近的其他泡孔长大会引入新的作用力导致泡孔发生变形。这个力的存在使泡孔偏离球对称膨胀，这实际反映了局部“过发泡”的开始。

目录

第一章 绪 论

1.1微发泡材料的研究进展

1.1.1工艺参数对发泡行为的影响

1.1.2树脂本征特性对发泡行为的影响

1.1.3形核剂对发泡行为的影响

1.2 聚烯烃发泡过程的研究

1.2.1发泡过程的理论

1.2.2 发泡的形核理论

1.2.3 长大理论模型

1.3发泡过程的表征装备研究进展

1.3.1可视化装置

1.3.2可视化实验研究现状

1.3.3注塑可视化实验研究现状

1.4研究的目的和意义

1.4.1课题来源

1.4.2课题意义

1.4.3 研究内容

第二章 实验部分

2.1实验原料、设备及仪器

2.2简易光镜-热台可视化装置的复合材料及观察

2.2.1样品的制备

2.2.2实验设备及测试条件

2.3 微型可视化装置、样品的制备及表征

2.3.1样品的制备

2.3.2 实验设备及表征

2.4 注塑实验试样的制备及表征

2.4.1 样品的制备

2.4.2测试与表征

第三章 低密度聚乙烯化学发泡过程的动态观察与表征

3.1前言

3.2 低密度聚乙烯发泡过程工艺参数设计

3.2.1 LDPE的工艺参数

3.2.2 OBSH的工艺参数

3.3 LDPE复合材料发泡过程的影响因素及规律

3.3.1温度对发泡过程的影响

3.3.2 发泡剂含量对发泡过程的影响

3.3.3形核剂对发泡过程的影响

3.3.4 样品厚度对发泡过程的影响

小结

第四章 聚丙烯化学发泡过程的动态观察与表征

4.1前言

4.2聚丙烯发泡过程工艺参数设计

4.2.1 PP的工艺参数

4.2.2 AC粉的工艺参数

4.3 PP复合材料发泡过程的研究

4.3.1温度对PP复合材料发泡过程的影响

4.3.2不同温度下形核剂对PP复合材料发泡过程的影响

4.4自制微型可视化装置下发泡过程的研究

4.4.1 PP(3920)/AC的发泡过程

4.4.2 PP(3920)/OMMT/AC的发泡过程

4.4.3PP(T30s)/ AC的发泡过程

4.4.4PP(T30s)/OMMT/ AC的发泡过程

4.5实际注塑发泡过程的研究

4.5.1 PA6实际注塑发泡过程的研究

4.5.2 PP发泡过程的研究

小结

第五章 聚烯烃泡孔形核动力学研究

5.1前言

5.2泡孔形核理论

5.3泡孔形核的分析方法

5.3.1泡孔定量分析

5.3.2泡孔临界形核尺寸的观察

5.4泡孔形核的动力学

5.4.1泡孔形貌研究

5.4.2泡孔个数与时间的关系

5.4.3临界形核尺度的研究

5.5临界形核泡孔形貌观察

小结

第六章 聚烯烃泡孔长大动力学研究

6.1前言

6.2泡孔长大理论

6.3泡孔长大的分析方法

6.3.1泡孔定量分析

6.3.2变形泡孔周围树脂形貌观察

6.4泡孔长大动力学研究

6.4.1泡孔形态特征

6.4.2泡孔尺寸分布

6.4.3泡孔长大动力学研究

6.4.4泡孔长大驱动力和阻力的关系探讨

小结

第七章 结 论

展望

创新点

参考文献

致谢

附录

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