聚丙烯微孔发泡成型及泡孔长大的理论研究

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聚丙烯(PP)材料物理和力学性能好,原料来源丰富,价格便宜,其泡沫塑料产品不仅节省材料、减轻重量,而且具有良好的韧性、耐热性、绝缘性、保温性、耐化学药品性以及可降解回收性,广泛用于食品、化妆品、电子产品的包装材料及汽车的内部件、隔音、隔热件等。然而普通PP是线性、结晶性聚合物,熔融以后,黏度急剧下降,熔体强度非常低,所以普通PP的发泡性能很差,很难制得泡孔结构较好的泡沫塑料。 微孔塑料是泡孔密度大、泡孔直径小的泡沫塑料,其成型过程比普通发泡更复杂、更难控制。由于PP的发泡特点,人们对于PP的微孔发泡成型过程研究的相对较少,研究较多的是无定形聚合物如PS等。本文主要采用实验和理论相结合的方法,研究和分析PP微孔发泡过程中的主要影响因素;针对PP发泡性能差的特点,采用共混改性的方法来提高PP的熔体强度,改善微孔发泡性能。 本文首先对纯PP材料进行微孔发泡成型,研究各种因素对PP微孔发泡成型的影响,主要包括材料的结晶性能、熔体粘度、熔体强度、发泡温度、CO<,2>饱和压力等,寻找影响PP微孔发泡性能的关键因素。实验研究表明,发泡温度对最终泡孔结构的影响很大,熔体强度在PP微孔发泡成型过程中起了非常关键作用。 本文对发泡成型过程中的泡孔长大过程进行了建模和力学分析,理论研究各种因素对泡孔长大的影响,首次在泡孔长大的理论分析中考虑了熔体强度的影响,研究了熔体强度对泡孔长大速率及最终泡孔尺寸的影响。 将两种PP共混,研究PP的性质和比例对熔体强度和微孔发泡成型的影响。两种PP共混以后,其共混体系的熔体强度没有增加,但共混以后泡孔结构得到了一定的改善。在PP中混入PE以后,熔体强度明显提高,PP的结晶度减小。我们选择三种PP/PE共混体系进行研究,发现随着PE含量的增加,三种共混体系的熔体强度和结晶性能符合某些相同的变化规律。PP/PE共混体系的发泡性能与熔体强度和结晶性能有很大关系,材料的熔体强度高,结晶度低,泡孔结构好,适合微孔发泡的温度范围宽。为了进一步提高熔体强度和改善泡孔结构,在PP/PE共混体系中加入少量弹性体,包括EVA、EPDM和POE,研究这些弹性体对熔体强度和泡孔结构的影响。少量弹性体的加入使共混体系的熔体强度提高,从而使泡孔结构得到了进一步改善。在PP/PE共混体系中加入少量无机粒子作为成核剂来提高气泡成核密度,如CaCO3和滑石粉,通过密度的增加来限制泡孔长大。研究发现这些无机粒子的加入使最终微孔发泡样品的泡孔密度增加,泡孔直径减小。 本文在PP的微孔发泡过程中引入轴向脉动剪切,理论分析脉动对熔体剪切速率和熔体强度的影响;实验研究脉动剪切对最终微孔发泡样品泡孔分布、泡孔形状、泡孔直径及泡孔密度的影响。研究结果表明,叠加脉动剪切以后,发泡体系的熔体强度升高,发泡样品的泡孔分布更均匀,泡孔取向减小,泡孔更接近于球形;另外,随着振动参数的增加,泡孔直径减小,泡孔密度增加。
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