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本论文选用了较大长径比碳纳米管,制备了碳纳米管/聚丙烯复合材料,研究了该复合材料的流变学和结晶行为以及网络结构与挤出加工行为之间的关系。研究内容主要包括以下三个方面:
1.大长径比碳纳米管/聚丙烯复合材料中形成处于非平衡态的碳纳米管网络结构,并对复合材料的流变性质产生一定的影响。碳纳米管网络结构导致复合材料在稳态剪切时表现出复杂的法向应力差变化行为,暗示碳纳米管及其网络变形可能会产生负法向应力差。在毛细管挤出实验中发现,复合材料熔体挤出胀大比随碳纳米管浓度的增加而显著减小,而且尺寸稳定性逐步提高。当复合材料中碳纳米管浓度高于凝胶浓度时,复合材料熔体出现罕见的挤出缩小现象,推断这一现象与负法向应力差行为密切相关,此时复合材料体系中形成了稳定的碳纳米管网络结构,能够维持流动场下碳纳米管网络“联接”的旋转扭曲行为。
2.通过动态流变学方法研究两种不同聚丙烯(iPP)及其与碳纳米管(CNTs)复合材料(CNTs/iPP)的动态黏弹性,并进一步以毛细管流变仪研究了熔体黏弹性对iPP及CNTs/iPP复合材料挤出特性的影响。CNTs/iPP复合材料的储能模量G在低频区域均显示出与频率无关的类固体平台区,说明复合材料内均形成了稳定的CNT网络结构。同iPP基体相比复合材料的黏度和剪切应力明显提高,并表现出强烈的剪切变稀行为。CNTs/iPP复合材料的挤出物螺旋畸变同iPP相比较均显著减弱。以黏弹性较强的聚丙烯为基体的复合材料熔体在较低剪切速率下出现了挤出收缩特性,而以黏弹性较弱的聚丙烯为基体的复合材料熔体在较高挤出速率下也表现出挤出收缩特性。CNT网络结构抑制了黏弹性iPP链的形变和弹性回复被认为是产生挤出缩小的主要原因。
3.利用差示扫描量热仪(DSC)、光学显微镜、剪切热台、流变仪研究了碳纳米管含量和剪切作用分别对复合材料剪切结晶行为的影响。流变学方法研究剪切结晶可以定量分析成核密度,避免了光学方法研究中的成核过多或球晶难以识别等问题。研究发现静态结晶时少量CNTs的加入就可以显著促进成核,然而CNTs含量继续增加对其成核影响再促进不大;而在剪切条件下,结晶加速效应则更显著;同一剪切条件下,iPP结晶速度和成核密度随CNTs含量增加而单调升高,说明碳纳米管和剪切对加速iPP结晶起到一个显著的协同作用。