快速热循环注塑材料PC/ABS与PP的物理改性及其性能研究

摘要

随着新的产品设计理念的发展、现代工业技术的进步及节能环保意识的增强，塑料材料的应用潜力及优势逐步得以发挥。一方面，塑料绿色制造技术开始成为一种现代制造理念及产品成型模式，另一方面，开发新型的、具有更大市场竞争力的高性能化、高功能化、低成本的聚合物及其复合材料迫在眉睫，特别是将塑料制品应用于功能、结构件领域的需求越来越多。
　　快速热循环(Rapid Heat Cycle Molding，RHCM)注塑工艺是一种采用高光泽模具型腔表面、要求快速加热和快速冷却，并在成型树脂的玻璃化转变温度以上进行注塑成型的新型绿色制造技术。由于RHCM成型工艺可直接获得表面光泽度高、无熔痕和无需进行喷涂、罩光等后续加工的外观用塑件，近年来在诸多领域得以快速发展和应用。然而，其独特的工艺特征也对成型树脂的性能提出了更高的要求，如在高温注塑下，小分子助剂极易分解，减弱其改性效果;小分子的分解上浮，容易造成不良的成型塑件表面质量;结晶型聚合物的结晶过程变得更为复杂等等。另外，现有聚合物或其复合材料，虽然在各项性能上已获得了很大的优化，但强度和刚性等性能指标依然不能满足功能、结构件领域对材料性能的要求，亟待发展成本更低、综合性能更优、目标特征更突出的新型替代材料。
　　针对上述问题，本文以RHCM注塑工艺及熔融共混工艺为基础，选取了应用广泛的非晶PC/ABS复合材料和半结晶型PP树脂为研究对象，采用了多种材料微观及宏观表征手段开展了相关研究，具体工作如下:
　　(1)研究了PC/ABS复合材料的力学性能对制品熔接痕敏感程度随ABS含量的变化规律，深入分析了纤维初始长度、添加量及添加方式对制品中玻纤长度分布的影响规律，并分析和揭示了它们对塑件的力学性能和热学性能的影响效果和作用机理。
　　(2)选取了一种PC专用磺酸钾阻燃剂FR2025及两种芳基磷系无卤阻燃剂UN707和PX-220，在RHCM工艺下制得了阻燃短玻纤增强PC/ABS标准样品。对比分析了不同阻燃剂和填料对短玻纤增强PC/ABS复合材料的阻燃效果，深入研究了阻燃剂对玻纤增强PC/ABS复合材料的热学性能、力学性能及表面质量的影响规律，得到了符合行业需求的高强、高阻燃PC/ABS产品。
　　(3)研究了RHCM注塑充型过程中，模具型腔表面温度对PP塑件不同结构层树脂结晶状态的影响规律，揭示了成型塑件的表面质量、结晶度及残余内应力之间的内在关系，并定量研究了多种常见填料对PP树脂表面光泽度及收缩率的影响规律。
　　(4)研究并揭示了高温退火工艺参数（退火温度、退火保温时间及退火后冷却速度）对不同结构层PP树脂显微结构演化、塑件表面质量及力学性能的影响规律及其作用机理。
　　(5)选择了α形核剂、RHCM模具温度和退火工艺、增容剂及纳米二氧化硅粒子等作为研究对象，从结晶度、结晶演化、界面相容性及纳米粒子对界面的物理作用等角度，深入探讨了它们对PP树脂及其复合材料强度及刚性的影响规律及其作用机理，。
　　通过上述研究，开发了RHCM高温注塑和大比率玻纤添加条件下满足V0级阻燃要求的PC/ABS复合材料，发现了气相阻燃机理在该体系中所具有的技术优势，揭示了RHCM工艺下阻燃剂对玻纤增强复合材料的力学性能和塑件表面质量的改善作用和负面影响;揭示了RHCM高温注塑及高温退火工艺对改善PP树脂结晶状态的作用规律和机理，研发了综合性能优良的PP塑件的最佳注塑模温和退火工艺，揭示了RHCM注塑工艺、高温退火参数、材料的结晶状态与塑件表面质量之间的内在关系;揭示了结晶度、结晶演化、相容性和界面特性等对PP材料强度和刚性的不同影响规律和作用机理，获得了Nano-SiO2增加界面径向压应力和剪切模量的最佳改性条件，开发出了具有高强度和高刚性的PP复合材料。最终，为开发适用于RHCM注塑工艺的高性能非晶与结晶聚合物及其复合材料提供富有价值的理论指导及改性方法。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 快速热循环注塑成型技术

1．2．1 快速热循环注塑技术的概况及其成型原理

1．2．2 快速热循环注塑技术的优势

1．2．3 快速热循环注塑工艺适应性树脂材料

1．3 塑料物理改性技术

1．3．1 塑料物理改性技术的目的和优势

1．3．2 常见塑料物理改性方法及改性理论

1．4 PC／ABS及PP聚合物及其复合材料的研究

1．4．1 PC／ABS复合材料物理改性研究进展及存在的问题

1．4．2 PP树脂及其复合材料研究进展及存在的问题

1．5 本课题研究的意义及主要内容

第2章 短切玻纤增强对PC／ABS复合材料力学及热性能的影响

2．1 引言

2．2 实验过程

2．2．1 实验原料

2．2．2 样品制备

2．2．3 性能测试与表征

2．3 结果分析与讨论

2．3．1 PC与ABS的最优配比研究

2．3．2 制品中纤维长度统计研究

2．3．3 制品中玻纤长度对力学性能的影响

2．3．4 制品中纤维对热性能的影响

2．4 本章小结

第3章 RHCM工艺下玻纤增强PC／ABS材料磷系无卤阻燃体系研究

3．1 引言

3．2 实验过程

3．2．1 实验材料

3．2．2 样品制备

3．2．3 性能测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 燃烧行为

3．3．2 阻燃玻纤增强PC／ABS复合体系的热学性能

3．3．3 阻燃剂对玻纤增强PC／ABS复合材料力学性能的影响

3．3．4 阻燃玻纤增强PC／ABS复合材料表面质量研究

3．4 产品验证

3．5 本章小结

第4章 RHCM模具温度及常见填料对聚丙烯晶体结构和表面质量的影响

4．1 引言

4．2 实验过程

4．2．1 实验材料

4．2．2 样品制备

4．2．3 样品测试与表征

4．3 结果和讨论

4．3．1 RHCM模具温度对PP结晶状态及表面光泽度的影响

4．3．2 常见填充物对PP塑件表面光泽度及收缩率的影响

4．4 本章小结

第5章 高温退火对聚丙烯结晶演化、塑件力学与表面性能的影响

5．1 引言

5．2 实验过程

5．2．1 实验材料

5．2．2 样品制备

5．2．3 性能测试与表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 塑件不同结构层聚丙烯树脂在退火过程中的结晶演化规律

5．3．2 聚丙烯结晶演化与塑件表面质量的关系

5．3．3 退火工艺对聚丙烯塑件力学性能的影响规律

5．4 本章小结

第6章 高强、高刚聚丙烯的改性方法及其作用机理

6．1 引言

6．2 实验过程

6．2．1 实验材料

6．2．2 样品制备

6．2．3 性能测试与表征

6．3 结果和讨论

6．3．1 结晶度对聚丙烯强度和刚性的影响

6．3．2 聚丙烯的结晶演化过程对体系强度和刚性的影响

6．3．3 相容改性对聚丙烯强度和刚性的影响及作用机理

6．3．4 纳米二氧化硅对聚丙烯强度和刚性影响及作用机理

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表和撰写的论文及专利

攻读博士学位期间参与的科研项目