原位气泡拉伸法（ISBS）分散规律及消泡再团聚过程研究

摘要

随着复合材料研究的深入发展和应用，纳米粒子粉体的研究成为新的课题已受到业内广泛的重视。由于纳米粒子粒度小、表面能高，处于热力学非稳定状态，因此在生产制备、储存以及使用过程中极易发生粒子团聚，从而失去纳米粒子所具备的功能，因此，无机纳米粉体在聚合物基体中是否均匀分散，是提高纳米复合材料性能并减少纳米粒子填充量的关键。人们尝试了多种方法试图解决纳米粉体的分散问题，但迄今纳米粉体的分散仍是制备聚合物基纳米复合材料的瓶颈问题之一。吴大鸣教授提出原位气泡拉伸法(In Situ Bubble Stretch，简称ISBS方法)，利用气泡膨胀产生的高拉伸速率对气泡周围的纳米微粒进行分散。结果表明，气泡膨胀时可使周围的聚合物熔体产生高达10<'6>s<'-1>的拉伸速率，比一般机械分散法所能获得的剪切或拉伸速率高两个数量级，因而可获得优于常规分散混合设备的分散效果。 纳米复合体系经过ISBS方法分散后，由于所得到的复合材料中存在气泡，会影响材料的性能，因此必须对材料进行消泡处理。在消泡和后续的成型加工过程中，经ISBS方法分散的纳米粒子是否发生重新团聚，是影响最终分散效果和复合材料性能的一个重要方面。 本文在前人对原位气泡拉伸法的分散规律和分散能力研究的基础上，对原位气泡拉伸法制备聚合物基纳米复合材料消泡及后续成型加工中是否会发生再团聚进行了分析和研究。以PPR为树脂基体，分别用nano-CaCO<,3>和nano-Mg(OH)<,2>作为纳米填充粒子。先使用双螺杆挤出机对聚合物与纳米粒子的混合物进行分布混合与造粒，然后在控制机头压力的情况下使用单螺杆挤出机对物料进行挤出发泡，利用气泡膨胀产生的高速剪切场和拉伸场实现分散聚合物熔体中纳米粒子的目的。将得到的纳米复合材料在注塑机中制成标准样条进行力学性能测试，并在此过程中利用注塑机的自排气功能对复合材料进行消泡处理。利用Image-Pro Plus软件对样品的FE-SEM电镜照片进行分析和计算，并对测得的冲击性能和拉伸性能的数据进行分析和比较，得出以下结论： 1.ISBS方法是制备PPR/CaCO<,3>复合材料较为有效的分散纳米团聚体的方法。在一定的纳米粒子添加量下，PPR/nano-CaCO<,3>和PPR/nano-Mg(OH)<,2>复合体系均得到均匀的分散。 2.对经过ISBS方法制备的纳米复合材料进行消泡处理和成型加工过程后，纳米粒子未产生明显的重新团聚现象。 3.经过消泡处理和成型加工过程后，PPR/CaCO<,3>复合材料的缺口冲击强度随着无机粒子添加量的增加有较大提高，相同添加量下，冲击强度远远高于直接用双螺杆挤出机得到的复合材料。当添加量达到一定值时冲击强度达到最大，添加量再增加时冲击强度下降。 4.在已分散的聚合物复合体系中，经过消泡和成型加工过程后，纳米粉体再团聚与否，主要取决于复合体系中无机粒子的添加量。当体系中的添加量超过一定值时，体系中的无机粒子团聚的几率增加，达到复合体系重新团聚的临界值后，复合体系中的无机粒子易于发生再团聚。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1纳米材料研究现状

1.2聚合物基纳米复合材料的研究进展

1.2.1聚合物无机纳米复合材料的制备

1.2.2聚合物基纳米复合材料的性能

1.2.3聚合物纳米复合材料的发展趋势

1.3无机纳米粒子分散及表征

1.3.1纳米粉体团聚体形成原因

1.3.2纳米微粒的分散技术

1.3.3纳米粒子的干燥

1.3.4纳米粒径的表征

1.4原位气泡拉伸法(ISBS)

1.4.1 ISBS方法的提出

1.4.2 ISBS制备聚合物纳米复合材料的机理

1.4.3 ISBS制备聚合物纳米复合材料的可行性分析

1.5消泡再团聚过程

第二章聚合物中纳米粉体分散、团聚原理

2.1聚合物中纳米粉体团聚、分散的相关理论

2.1.1纳米粉体聚集体聚集力的模型及其影响因素

2.1.2纳米粉体聚集体分散机理

2.1.3已分散粒子的物理模型

2.1.4已分散粒子的动力学模型

2.2聚合物中纳米粉体分散再团聚的空间位阻效应

2.3逾渗理论和逾渗阈值

第三章实验部分

3.1原材料及设备

3.1.1原料

3.1.2实验设备与实验仪器

3.1.3纳米复合材料的制备

3.2样品FE-SEM电镜照片分析

3.2.1 Image-Pro Plus

3.2.2颗粒统计平均粒径及粒径分布的表征

3.2.3纳米复合体系纳米粒子平均粒径及分布的计算

3.2.4螺杆转速和机头压力的确定

3.2.5 PPR/CaCO3纳米复合体系电镜照片分析

3.2.6 PPR/nano-Mg(OH)2纳米复合体系电镜照片

3.3力学性能

3.3.1 PPR/nano-CaCO3纳米复合材料的冲击性能

3.3.2 PPR/nano-CaCO3纳米复合材料的拉伸性能

第四章结论

4.1本课题主要研究结论

4.2课题有待进一步深入研究的问题

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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