超高分子量聚乙烯/聚丙烯复合材料的制备及性能研究

摘要

聚丙烯(PP)是一种通用合成树脂，由于其具有耐化学腐蚀、耐热、无毒、易加工等优异的综合性能，在器械制造业、汽车工业、模具、家用电器等领域得到了广泛应用。但聚丙烯也存在一些缺陷，例如:韧性差、低温脆性、不耐老化性、冲击强度低、收缩率大等，限制了其作为工程受力材料等方面的应用。因此，对PP进行耐老化、增韧增强等改性处理，拓宽其应用范围。而超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种具有线型结构、综合性能优异的新型热塑性工程塑料，具有其他工程塑料无可比拟的耐磨性、耐腐蚀性、抗冲击性、自润滑性等性能，被认为是可以代替钢铁广泛应用于各个领域的理想型高性能塑料。因此，选用UHMWPE作为增强材料，与聚丙烯混合，制备复合材料，期望达到改善聚丙烯力学性能的目的，但UHMWPE分子量极高、分子链高度缠结、熔体流动性差，难与聚丙烯达到亚微观水平的均匀混合。本论文采用加工助剂（高馏程矿物油）对UHMWPE进行溶胀预处理，与PP进行熔融共混，优化加工工艺制备了UHMWPE/PP复合材料，研究了溶胀时间和温度对UHMWPE溶胀比的影响、加工方式对复合材料挤出成型的影响，考察了复合材料的力学性能，流变性能和结晶性能。论文的主要内容及结论如下:
　　1.UHMWPE冻胶是制备混合均匀UHMWPE/PP复合材料的重要影响因素。UHMWPE冻胶的制备受温度和时间影响，通过最佳溶胀温度、溶胀比等判断UHMWPE的溶胀效果。实验结果表明，UHMWPE的溶胀比随温度的升高先增大后减小，其最佳溶胀温度在136℃左右;随着溶胀时间的增加，溶胀越充分，UHMWPE的溶胀比逐渐增大，达到20min后，溶胀比趋于稳定。
　　2.使用单螺杆挤出机制备的复合材料的力学性能明显降低，而使用双螺杆挤出机能够提高了复合材料的抗冲击强度和拉伸强度;将UHMWPE冻胶与PP进行熔融共混，研究了双螺杆挤出温度、螺杆转速、UHMWPE含量对复合材料制备及力学性能的影响。分析结果表明，挤出温度和螺杆转速分别为220℃和250r/min时，挤出机稳定出料，粒料表面光滑圆润，共混效果最好。UHMWPE含量的提高，复合材料的抗冲击强度和拉伸强度逐渐增大，当含量达到5wt％时，其抗冲击强度和拉伸强度分别提高了22％和8％。
　　3.采用毛细管流变仪研究了UHMWPE/PP共混熔体的流变性能。复合材料的熔体流动属于剪切变稀型，流动类型未发生改变;UHMWPE的加入，使PP的表观黏度和剪切应力降低，非牛顿指数减小，黏流活化能减小。与纯PP相比，在剪切速率为1400s-1时，UHMWPE添加量为5wt％的共混熔体的熔体黏度降低了12.3MPa，剪切应力从59.81kPa下降到了37.94kPa，黏流活化能下降了1.98kJ/mol。
　　4.DSC结果表明，体系中有两个熔融吸热峰，复合材料中存在两种晶体，结晶时二者相互竞争、干扰，导致晶体完善程度降低;随着UHMWPE含量增加，复合材料的结晶度逐渐降低。UHMWP的引入使复合材料的MWPE结晶速率提高，半结晶时间减小，而Avrami指数未发生明显变化。此外，Kissinger公式计算结果表明，UHMWPE含量为1wt％时，复合材料的结晶的活化能相对纯PP，减少了16.34kJ/mol。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 PP、UHMWPE的性质和应用

1．2．1 聚丙烯的性质和应用

1．2．2 UHMWPE的特性和应用

1．3 聚丙烯的改性方法及其复合材料研究进展

1．3．1 物理改性聚丙烯

1．3．2 化学改性聚丙烯

1．3．3 聚丙烯复合材料的研究进展

1．4 复合材料的增韧增强机理

1．4．1 纤维状分散相增强复合材料

1．4．2 颗粒状分散相增强复合材料

1．4．3 原位复合增强复合材料

1．5 论文的研究意义、目的及内容

第二章 UHMWPE／聚丙烯复合材料的制备及其表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器

2．2．3 UHMWPE冻胶的制备

2．2．4 UHMWPE／聚丙烯复合材料的制备

2．2．5 UHMWPE／PP复合材料的测试与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 UHMWPE的溶胀比

2．3．2 UHMWPE／聚丙烯复合材料脆断面观察

2．3．3 UHMWPE／聚丙烯复合材料的热稳定性

2．3．4 UHMWPE／聚丙烯复合材料的化学结构

2．3．6 UHMWPE／聚丙烯复合材料的力学性能分析

2．4 本章小结

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验仪器设备

3．3 UHMWPE／聚丙烯复合材料的流变性能的测试

3．4 结果与讨论

3．4．1 UHMWPE对复aNN-流变性能的影响

3．4．2 UHMWPE／聚丙烯共混熔体的非牛顿指数

3．4．3 UHMWPE／聚丙烯复合材料的黏流活化能

3．5 本章小结

第四章 UHMWPE／聚丙烯复合材料的结晶性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验仪器设备

4．2．3 UHMWPE／聚丙烯复合材料的测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 UHMWPE／聚丙烯复合材料的晶型结构

4．3．2 UHMWPE对聚丙烯结晶性能的影响

4．3．3 UHMWPE／聚丙烯复合材料的非等温结晶DSC曲线

4．3．4 UHMWPE／聚丙烯复合材料的非等温动力学研究

4．3．5 UHMWPE／聚丙烯复合材料的结晶活化能

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士期间的研究成果

致谢