论文部分内容阅读
聚合物基复合材料,因易于加工、性能良好,应用日益广泛,成为金属、陶瓷材料结构件的替代品。为进一步满足市场轻量化需求,发泡制品的加工成为近年研究的一个热点。相比传统实芯制品,发泡制品具有质轻、隔热、吸能、高比强度、耐冲击等优势,同时减少了原材料的使用,降低生产成本。因此在缓冲包装、建筑绝缘、家居产品、汽车行业、生物组织工程等领域得到了广泛应用。但发泡制品成型工艺的可重复、可靠性较差,泡孔形态、尺寸、密度的形成及控制机理还有待进一步完善。本课题采用实验和数值模拟相结合的方法,分析了成型工艺对“材料-形态-性能”的影响。以生物可降解塑料聚乳酸(PLA:Polylactic acid)和通用塑料聚丙烯(PP:Polypropylene)为基体材料,通过超临界注塑发泡和间歇发泡两种工艺,研究泡孔形态与工艺条件、材料性能的关系,探讨了泡核形成机理和生长条件。对于PLA,将其与咖啡渣(SCG:Spent coffee grounds)复合,制备得到了PLA/SCG复合材料,并进一步研究了PLA/SCG注塑发泡工艺的可行性以及制品性能。主要工作与结论如下:(1)自制了PLA/SCG复合材料,研究了咖啡渣含量、前处理、粒径、相容剂对PLA/SCG复合材料注塑件热稳定性及力学性能的影响。结果表明:以正己烷为溶剂采用索氏提取法的去油效率最佳,达15.0%以上;PLA/SCG复合材料的力学性能(拉伸、冲击)及热稳定性随咖啡渣含量的增加而下降(5,10,15wt.%);去油处理后,复合材料(咖啡渣比例为15 wt.%)拉伸强度相比未处理提高了137.0%;在微米级尺寸范围内,咖啡渣粒径大小对复合材料性能几乎无影响;当添加5 wt.%的二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI:Methylenediphenyl Diisocyanate)相容剂时,获得最佳力学性能,拉伸强度和断裂伸长率分别比未处理前增长了48.6%和123.7%。(2)通过超临界氮气注塑发泡工艺制得PLA/SCG发泡制品,研究了材料组分对制品泡孔形貌和力学性能的影响。结果发现:PLA/SCG发泡材料在制品厚度方向呈现“表层-剪切层-芯层”泡孔分布。随咖啡渣含量增加,力学性能变差;引入MDI后,起到扩链增黏作用,泡孔直径减小且直径分布变窄,发泡材料的比拉伸强度和断裂伸长率分别提高了122.5%和113.4%。利用数值模拟(Moldflow Insight 2018)软件,对复合材料注塑发泡成型过程进行分析,根据模拟的速度场、温度场结果,揭示泡孔形成机理,获得泡孔尺寸与分布情况;对比模拟和实验结果,发现二者趋势一致,可为实际生产提供借鉴和参考。对于PP,首先研究了结晶对其发泡行为的影响。通过设置不同的间歇发泡历程,改变材料卸压发泡之前的热历史,探讨结晶与发泡的关系。随后引入玻纤(GF:Glass fiber)增强,进一步研究了PP/GF复合材料的间歇发泡行为。通过实验发现:(1)晶体可充当泡孔的异相成核点。发泡压力固定为12 MPa,在一定的发泡温度和时间下,PP发泡材料分别形成大小泡孔和“花蕊状”泡孔结构。(2)对于PP/GF复合材料,玻纤的存在限制了分子链运动,显著提高了熔体强度,膨胀倍率减小。