学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

高品质化学发泡聚烯烃材料的制备及其断裂行为的研究

作　者: 张纯
导　师: 周国治；于杰
学　校: 上海大学
专　业: 钢铁冶金
关键词: 微孔微孔发泡聚烯烃注塑工艺纳米无机粒子本征韧性
分类号: TQ328.3
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 335次
引　用: 5次
阅　读: 论文下载

内容摘要

聚合物的微发泡技术对于获得综合性能较为理想的微孔聚合物材料,提高其使用性能,满足某种特殊的需要,降低生产成本,均具有非常重要的意义。聚烯烃作为应用最为广泛的聚合物材料,通过微发泡技术在聚烯烃内部引入大量的微孔及微孔作为第二相均匀的分散在聚烯烃内部的微孔聚烯烃材料,既可以保持原有聚烯烃材料某些优良的性能,又可以改进本身性能的不足,兼顾了降低成本又能保持较好的力学性能,是一种新型的高性能复合材料。微孔聚烯烃材料的结构与形态很大程度上依赖于加工过程中的成型工艺、树脂特性,研究其成型工艺、树脂特性与结构形态和性能的关系及变形断裂机制,对于调控和优化材料性能具有重要理论价值和应用指导意义。本文系统的研究了化学发泡注塑成型工艺、聚烯烃本征特性(不同凝胶含量聚乙烯、不同流体流动速率聚丙烯)、纳米无机粒子对制备发泡聚烯烃材料发泡行为的影响规律和机理,制备出高质量的微孔发泡聚烯烃材料;对微孔发泡聚烯烃材料变形与断裂行为进行了深入探讨,阐明各种影响因数,提出微孔对聚烯烃增韧机理的新见解,并建立了相应的物理数学模型。论文研究取得了以下主要成果:首先,注塑工艺参数中注塑温度对聚烯烃发泡材料的泡孔平均直径、泡孔尺寸分布、泡孔密度影响最大,其次为注塑压力。注塑温度的影响与其对发泡剂分解速度、产气量、熔体强度的影响而导致泡孔的形核和长大(并泡)过程有关。而注塑压力的影响与发泡剂分解产生的气体在外压下的压强平衡有关。通过优化工艺,获得了泡孔平均直径为21μm、泡孔密度3.2×107个/cm3,泡孔尺寸分布均匀的高品质聚烯烃微孔发泡材料样品。其次,聚烯烃本征特性对发泡聚烯烃材料泡孔平均直径、泡孔尺寸分布、泡孔密度以及工艺的影响表现为熔体强度的影响。在相同的注塑工艺条件下,熔体强度高导致泡孔临界形核半径较大,熔体强度低易导致泡孔长大(并泡),从而要获得高品质发泡聚烯烃材料,熔体强度应在一定范围内;不同工艺条件下不同的熔体强度聚烯烃可以获得高品质发泡材料。再次,纳米无机粒子对化学发泡注塑成型制备其微孔发泡材料的泡孔平均直径、泡孔尺寸分布、泡孔密度以及成型工艺的影响,一方面,纳米有机蒙脱土的添加将引起泡孔形核率和聚烯烃熔体粘度的提高,从而制备出泡孔平均直径19.49μm,泡孔尺寸分布均匀,泡孔密度为3.8×107个/cm3的更高发泡品质聚烯烃/纳米有机蒙脱土复合微孔发泡材料;另一方面,聚烯烃中引入均匀分布的插层形式纳米有机蒙脱土,起到“钉扎”和应变强化作用,导致其在发泡过程中具有更稳定的发泡工艺及更宽的注塑温度,实验表明,注塑温度在170℃～195℃范围内,聚丙烯/纳米蒙脱土复合发泡材料的泡孔平均直径、泡孔尺寸分布、泡孔密度变化不大,注塑温度高于195℃后,才有较大的变化。最后,首次提出了微孔对聚烯烃材料冲击断裂韧性作用与聚烯烃材料的本征韧性有关。微孔发泡聚烯烃材料在外加冲击力场作用下变形断裂过程和机理的研究结果表明了,微孔的存在导致聚烯烃材料变形断裂机制发生了变化,微孔的引入一方面减小了试样(材料)的有效承载面积,另一方面导致聚烯烃试样芯部基体材料易松弛裂纹尖端应力集中阻止裂纹扩展,并会诱使主裂纹分解成次生裂纹,使裂纹扩展的方向和方式都发生变化,表现为裂纹扩展的阻力,其综合作用结果导致了微孔的增韧作用随聚烯烃材料本征冲击强度(αk0)的不同存在差异,当裂纹扩展断面的有效截面积减小将导致聚烯烃材料冲击强度下降的值(αk1)小于微孔的存在松弛了裂纹尖端的应力,或改变应力分布形成不同方向的次生裂纹增加裂纹扩展功提高聚烯烃材料冲击强度的值(αk2)时,微孔表现为增韧的作用,反之,微孔的存在则降低材料的韧性。从而得出微孔发泡聚聚烯烃的冲击强度(αk)的物理数学表达式为: a k = a k 0 ? a k 1 + ak2。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-15
第一章绪论  15-42
  1.1 课题来源  15
  1.2 课题研究的目的和意义  15-17
  1.3 国内外研究概况  17-39
    1.3.1 微孔发泡聚合物材料成型技术研究进展  17-23
    1.3.2 气泡核的形成机理  23-24
    1.3.3 气泡经典成核理论  24-29
    1.3.4 加工工艺参数对气泡成核的影响  29-32
    1.3.5 气泡长大的理论研究  32-33
    1.3.6 微孔发泡聚烯烃材料的研究进展  33-35
    1.3.7 微孔发泡材料力学行为的研究进展  35-39
  1.4 论文的主要研究内容  39-42
    1.4.1 研究的内容主要包括  40-41
    1.4.2 采取的技术路线  41-42
第二章实验部分  42-48
  2.1 实验原料  42
  2.2 实验设备及仪器  42-43
  2.3 微孔发泡聚烯烃材料的制备方法及原理  43-44
  2.4 发泡聚烯烃材料的制备  44-45
    2.4.1 不同注塑工艺条件下发泡HDPE 材料的制备  44
    2.4.2 不同特性聚烯烃的发泡材料的制备  44
    2.4.3 聚烯烃/纳米有机蒙脱土复合发泡材料的制备  44-45
  2.5 结构、形态的表征  45-46
    2.5.1 发泡聚烯烃材料泡孔结构参数的表征  45-46
    2.5.2 纳米蒙脱土在聚烯烃材料中的分布及其分散表征  46
    2.5.3 凝胶含量的表征  46
  2.6 热力学、动力学测试  46-47
    2.6.1 热失重分析（TG）  46
    2.6.2 差示扫描量热分析（DSC）  46-47
    2.6.3 粘度的表征  47
    2.6.4 动态粘弹谱测试（DMA）  47
  2.7 力学性能测试  47-48
第三章注塑工艺参数对聚烯烃化学发泡  48-67
  3.1 前言  48
  3.2 注塑工艺实验设计  48-64
    3.2.1 注塑工艺正交实验设计  48-50
    3.2.2 注塑工艺参数对HDPE 发泡质量的影响  50-55
      3.2.2.1 对泡孔平均直径的影响  51-52
      3.2.2.2 对泡孔尺寸分布的影响  52-54
      3.2.2.3 对泡孔密度的影响  54-55
    3.2.3 工艺参数平行实验设计  55-64
      3.2.3.1 注塑温度对 HDPE 发泡质量的影响  56-58
      3.2.3.2 注塑压力对 HDPE 发泡质量的影响  58-60
      3.2.3.3 冷却固化时间对HDPE 发泡质量的影响  60-62
      3.2.3.4 注塑速度对HDPE 发泡质量的影响  62-64
  3.3 注塑工艺参数对HDPE 发泡行为的影响  64-66
  小结  66-67
第四章聚烯烃本征特性对其化学发泡  67-80
  4.1 前言  67
  4.2 结果与讨论  67-79
    4.2.1 高密度聚烯烃本征特性对其发泡材料发泡质量的影响  67-69
    4.2.2 本征特性对HDPE 发泡材料的最佳注塑工艺的影响  69-72
    4.2.3 本征特性对聚烯烃化学发泡行为的影响  72-79
  小结  79-80
第五章纳米有机蒙脱土对聚烯烃发泡  80-98
  5.1 前言  80-81
  5.2 结果与讨论  81-89
    5.2.1 纳米有机蒙脱土含量对聚丙烯发泡质量的影响  81-84
    5.2.2 纳米有机蒙脱土对高密度聚乙烯发泡质量的影响  84-86
    5.2.3 纳米有机蒙脱土含量对聚烯烃发泡行为的影响  86-89
  5.3 纳米有机蒙脱土对发泡聚烯烃成型工艺的影响  89-97
    5.3.1 注塑温度对聚丙烯/纳米有机蒙脱土复合发泡材料发泡质量的影响  89-93
    5.3.2 纳米蒙脱土对聚丙烯发泡过程演化的影响  93-97
  小结  97-98
第六章发泡聚烯烃材料断裂行为的研究  98-127
  6.1 前言  98-99
  6.2 聚烯烃发泡质量对其力学性能的影响  99-104
    6.2.1 发泡HDPE 材料的表观密度对其力学性能的影响  99-101
    6.2.2 发泡HDPE 材料的泡孔尺寸对其力学性能的影响  101-102
    6.2.3 发泡HDPE 材料的泡孔密度对其力学性能的影响  102-103
    6.2.4 发泡PP 和PP/Na-OMMT 材料的发泡质量对其力学性能的影响  103-104
  6.3 聚烯烃特性对其发泡材料力学性能的影响  104-107
    6.3.1 凝胶含量对发泡HDPE 材料力学性能的影响  104-105
    6.3.2 PP 的本征特性对发泡PP 材料力学性能的影响  105-107
  6.4 纳米有机蒙脱土对发泡聚烯烃力学性能的影响  107-110
    6.4.1 纳米有机蒙脱土含量对发泡聚丙烯力学性能的影响  107-109
    6.4.2 纳米有机蒙脱土含量对发泡高密度聚乙烯材料力学性能的影响  109-110
  6.5 微孔对聚烯烃材料冲击断裂机理的研究  110-122
    6.5.1 微发泡PP、HDPE 与未发泡PP、HDPE(23℃)的性能对比  110-111
    6.5.2 微孔对HDPE 缺口冲击强度及断面形貌特征的影响  111-120
      6.5.2.1 实验温度对HDPE 缺口冲击强度的影响  111-113
      6.5.2.2 实验温度对HDPE 冲击断口形貌的影响  113-117
      6.5.2.3 微孔对HDPE 断口形貌特征及冲击性能的影响  117-118
      6.5.2.4 动态粘弹谱分析（DMA）  118-120
    6.5.3 微孔对PP 缺口冲击强度及断面形貌特征的影响  120-122
      6.5.3.1 实验温度对发泡PP 材料Izod 缺口冲击性能的影响  120
      6.5.3.2 微孔对PP 材料冲击断裂机制的影响  120-122
  6.6 微孔对聚烯烃发泡材料冲击断裂强度的物理数学模型建立及模型的实验证实  122-126
    6.6.1 聚烯烃冲击断裂强度的物理数学模型的建立  122-123
    6.6.2 微孔对不同本征韧性PP 冲击性能的影响  123-126
  小结  126-127
第七章结论与展望  127-129
  7.1 结论  127-128
  7.2 展望  128-129
参考文献  129-145
作者在攻读博士学位期间公开发表的论文  145-146
作者在攻读博士学位期间所参与的项目  146-147
致谢  147-148

高品质化学发泡聚烯烃材料的制备及其断裂行为的研究

内容摘要

全文目录

相似论文