结构熔体增强iPP微孔发泡成型研究

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近年来,随着科学技术的飞速发展,对聚合物加工及材料领域的创新有了更高的要求,等规聚丙烯(iPP)发泡材料由于其节约成本、力学性能好、质量轻、绝缘性好等特点,逐渐引起了工业界和科研人员的重视。但是iPP的线性分子结构特征导致其熔体强度低,在发泡过程中容易出现泡孔的破裂与合并,使得发泡质量差。为了解决这一问题,本文通过加入高熔体强度聚丙烯(HMSPP)并结合“三段温控”法引入结构熔体来增强iPP的熔体强度,在超临界二氧化碳(Sc-CO2)条件下进行间歇发泡,对上述实验条件下iPP/HMSPP的结晶、流变学等性能进行了表征,并分析了其发泡性能特征;考察了不同发泡工艺条件对发泡性能的影响规律,并研究了微泡孔结构对发泡材料力学性能的影响。(1)通过熔融共混的方法制备出iPP/HMSPP复合材料,加入具有支链结构的HMSPP,增强复合材料的熔体强度,支链结构还能改善iPP的结晶性能;在退火过程中引入晶体结构,在后续升温时将其部分熔融(得到结构熔体),提高熔体强度的同时,还为后续发泡提供更多泡孔成核位点。在Sc-CO2条件下间歇发泡得到泡孔密度达到~1011个/cm3的发泡样品。流变学实验测试结果表明,iPP-20HMSPP在退火处理后弹性模量达到~106 Pa相比于纯iPP未进行退火处理的~104 Pa有显著的提高。利用偏光显微镜观察其等温结晶过程,发现iPP-20HMSPP的晶体尺寸比iPP小,晶体数量却大大增加,说明HMSPP加入后,其长支链结构能够细化晶粒,在泡孔成核过程中这些部分熔融的晶体促进异相成核,生成更多的泡核,有利于增加泡孔密度。(2)以iPP-20HMSPP为基体进行了不同发泡工艺的研究。不同温度、压力条件下基体硬度的变化会影响CO2气体在其中的溶解度和扩散速率,并决定泡孔的成核和生长。引入有序结构在iPP的熔点附近(160°C)进行发泡,得到了微孔发泡材料,泡孔密度可达5.4×1011个/cm3,平均泡孔尺寸为2.7μm,泡孔形貌比较均匀。本研究还探索了iPP/HMSPP的发泡窗口,其可发泡的温度和压力范围相比于纯iPP大大的增加,能达到微孔结构的发泡温度范围大约有8°C,这对于实际生产有指导性意义。(3)iPP/HMSPP微孔发泡材料的泡孔尺寸大小和尺寸分布对力学性能的影响进行研究。较小的泡孔尺寸和较窄的尺寸分布利于减小泡孔周围的应力集中效应,发泡材料抵抗外力的能力更强;iPP-20HMSPP发泡样品的冲击强度比iPP提高了120%,拉伸强度提高了33%。通过本研究,得到了提高力学性能理想的发泡材料为泡孔尺寸在小于3μm时,泡孔更加均一,泡孔形貌规则的泡孔结构。
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