新型微纳叠层阻隔材料制备装置及成型工艺的研究

摘要

众所周知，普通橡胶具有良好的气体透过性，其气密性十分差。然而在许多领域里都十分需要具有高阻隔性能的橡胶，如轮胎行业，需要使用气体阻隔性能极佳的橡胶作为轮胎气密层和内衬层。丁基橡胶作为少数具有优异气体阻隔性能的橡胶之一而被广泛应用于汽车轮胎领域。目前我国对丁基橡胶的需求量十分巨大，而国内生产的丁基橡胶严重不足，为解决丁基橡胶供不应求的市场现状，本课题提出了一种新型微纳叠层阻隔材料作为可以替代丁基橡胶的高阻隔性橡胶，使其成为各种轮胎内衬层、气密层以及密封件的主要使用材料，从而减少丁基橡胶的进口量，摆脱国外对我国丁基橡胶市场的操控。本课题的主要工作内容和研究成果如下:
　　1、基于纳米叠层复合技术，研制了一套用于制备新型微纳叠层阻隔材料的模内叠层共挤装置，并对装置进行搭建和调试，通过塑塑共挤和橡塑共挤两组实验验证了模内叠层共挤装置的挤出和叠层效果。运用聚合物流变学理论知识分析了实验过程中出现的粘性包覆和界面不稳定现象。通过选择相容性好的材料、控制共挤工艺参数以及合理设计流道结构等方法可以得到层厚分布均匀的制品。
　　2、利用CFD软件Polyflow对不同材料体系的共挤流动情况进行了模拟分析，探明了入口体积流量、材料粘度、共挤温度等参数对共挤流动，尤其是对共挤界面位置分布的影响。模拟结果表明，共挤界面的位置主要入口体积流量和材料粘度两个参数共同决定:在材料粘度相同的情况下，共挤界面会向入口体积流量较小的一侧偏移，且入口体积流量相差越大，界面偏移量越大;在入口体积流量相同的情况下，共挤界面会向熔体粘度相对较低的一侧偏移，且熔体粘度差异越大，界面偏移越明显。通过相关实验得到的结果与模拟结果基本相同，证明了模拟结果的可靠性，为后续制备新型微纳叠层阻隔材料提供了有意义的参考。
　　3、基于模拟分析结果，利用模内叠层共挤装置制备了新型微纳叠层阻隔材料，对阻隔材料进行了微观表征测试、力学拉伸强度性能测试和气体阻隔性能测试。测试结果表明用模内叠层共挤装置制备的三种阻隔材料其气体阻隔性能较纯EPDM均有不同程度的提升。对于(PA6+EPDM-g-MAH+EPDM)/EPDM阻隔材料，随着PA6所占质量百分比的增大，其氧气透过量降低，而力学拉伸强度则呈先增大后减小的抛物线变化规律，并在PA6质量百分比为5.4％时达到峰值。对于PA6/EPDM-g-MAH/EPDM阻隔材料，随着PA6所占质量百分比的增大，其氧气透过量呈线性降低，其力学拉伸强度呈线性增大。用模内叠层共挤装置制备的阻隔材料其渗透系数最低能达到3.603×10-13cm3· cm/(cm2·s·Pa)，是纯EPDM的33.93％，是轮胎内衬层专用混炼胶的14.25％，与丁基橡胶的1.070×10-13cm3·cm/(cm2· s·Pa)十分接近。
　　本课题成功研制出了新型微纳叠层阻隔材料的制备装置，并通过模拟指导实验制备出了具有高气体阻隔性能的橡胶制品，同时采用模拟分析加实验验证的方法对新型微纳叠层阻隔材料的成型工艺进行了优化。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 微层共挤技术发展现况

1．3 研究目的和意义

1．4 主要研究内容

第二章 模内叠层共挤技术及装置

2．1 模内叠层共挤装置的研制

2．1．1 微层倍增原理

2．1．2 模内叠层共挤装置的设计

2．2．3 模内叠层共挤装置的搭建

2．2 模内叠层共挤实验

2．2．1 塑塑体系模内叠层共挤实验

2．2．2 橡塑体系模内叠层共挤实验

2．3 模内叠层共挤流动特点分析

2．3．1 粘性包覆现象

2．3．2 界面不稳定现象

2．4 本章小结

第三章 模内叠层共挤工艺参数数值模拟

3．1 引言

3．2 机理模型

3．2．1 几何模型

3．2．2 数学模型

3．2．3 材料模型

3．3 入口体积流量对共挤过程的影响及分析

3．3．1 塑塑体系

3．3．2 橡塑体系

3．4 温度对共挤过程的影响及分析

3．5 粘度对共挤过程的影响及分析

3．6 验证实验

3．6．1 塑塑体系

3．6．2 橡塑体系

3．6．3 对比分析

3．7 本章小结

第四章 微纳叠层阻隔材料的制备及性能

4．1 引言

4．2 PA6+EPDM-g-MAH+EPDM体系阻隔材料

4．2．1 材料制备

4．2．2 测试表征

4．2．3 结果与讨论

4．3 (PA6+EPDM-g-MAH+EPDM)／EPDM体系阻隔材料

4．3．1 材料制备

4．3．2 测试表征

4．3．3 结果与讨论

4．4 PA6／EPDM-g-MAH／EPDM体系阻隔材料

4．4．1 材料制备

4．4．2 测试表征

4．4．3 结果与讨论

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 课题工作总结

5．2 研究工作展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师简介