聚酯复合体系体积脉动共混机理及其结构性能研究

发布时间：2020-07-15 11:27

【摘要】：聚合物采用不同的加工和成型方式会形成不同的微观形貌结构,这直接影响产品最终结构和性质,这表明加工和成型的方式对聚合物产品的优劣有着决定性的作用。传统的螺杆挤出机加工成型装备都是基于剪切流场主导的塑化输运过程,拥有较长的机械历程和较大的剪切力场,对聚合物分子链有一定的破坏作用。然而,自主研发的新型偏心转子挤出机是基于拉伸流场主导的塑化输运成型加工设备,具有更短的机械历程,更低的加工能耗,更好的混合分散分布效果,同时由于拉伸流场主导的塑化输运的加工过程对聚合物分子链破坏较小,能够更好的保持聚合物原本的性能。因此,结合基于拉伸流场主导的偏心转子挤出机的结构特征和聚合物材料的本身特性,对比传统螺杆挤出机加工方式,全面深入的研究基于体积脉动塑化输运过程中聚酯复合体系混合分散分布特点以及拉伸形变作用下对聚酯复合体系材料结构性能的影响规律,对制备高性能聚酯复合材料和推进聚合物成型加工设备创新发展都有着极为重要的意义。本文介绍了基于体积拉伸流场主导的偏心转子挤出机的结构特点,重点介绍了偏心转子挤出机的核心是由偏心转子和定子组成的挤压系统,其中转子和定子都具有拓扑性质的几何结构,当转子转动时,在转子与定子之间的物料腔体沿着定子的轴向和径向发生周期性变化,使得物料在周期性的压缩和膨胀过程中受到体积拉伸形变作用力场,这种拉伸力场贯穿了物料的固体输送区,熔融区和熔体输送区整个熔融塑化过程。通过对在体积脉动塑化输运加工过程中的聚对苯二甲酸丁二醇酯/热塑性聚氨酯共混物骤冷拆机后各段分别取样,深入探究聚酯复合体系在拉伸形变作用下共混形态演变过程及机理,采用扫描电子显微镜,广角X-射线衍射仪和差示扫描量热仪测试表征仪器分别对熔融塑化输运各段的混合分散分布形态特征和晶体形态结构进行表征,发现在体积拉伸形变作用下,聚对苯二甲酸丁二醇酯较快的完成了熔融塑化过程,同时热塑性聚氨酯作为分散相的粒径最终达到0.6μm。研究基于体积拉伸流场主导的偏心转子挤出机通过“熔融挤出-淬冷”的成型加工方法制备聚对苯二甲酸丁二醇酯/热塑性聚氨酯原位成纤共混物,拉伸形变作用诱导热塑性聚氨酯在基体中的成纤现象,结果表明:调控拉伸形变作用可以形成分布均一和大长径比的热塑性聚氨酯微纤,通过提高转速增强拉伸流场作用后,热塑性聚氨酯微纤化程度更加显著,形成的聚氨酯微纤分布更加致密,长径比更高,从而显著的提高了聚对苯二甲酸丁二醇酯/热塑性聚氨酯共混物的拉伸强度和冲击强度。保持热塑性聚氨酯含量为25%,将转速从30rpm提高到60rpm后,拉伸强度从35.7MPa增加到了44.5MPa,冲击强度从16.6kJ/m~2提高到了88.5kJ/m~2。与此同时高度纤维化的热塑性聚氨酯限制了聚对苯二甲酸丁二醇酯的分子链段运动,降低了聚对苯二甲酸丁二醇酯的结晶温度和结晶度。采用基于剪切流场主导的双螺杆挤出机和基于拉伸流场主导的偏心转子挤出机制备了不同蒙脱土含量的聚对苯二甲酸丁二醇酯/蒙脱土复合材料,通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察聚对苯二甲酸丁二醇酯/蒙脱土复合材料中蒙脱土在分散形态,广角X-射线衍射仪和差示扫描量热仪表征结晶行为和晶体结构,热重分析仪表征复合材料的热稳定性能,运用力学拉伸,弯曲和冲击测试复合材料的力学性能。结果表明:通过基于拉伸流场主导的偏心转子挤出机制备的聚对苯二甲酸丁二醇酯/蒙脱土复合材料剥离插层效果更好,另外由于拉伸形变作用对高分子链段的破坏小,具有更高的起始分解温度和最大失重速率温度,同时当蒙脱土含量为5%和9%时,发现有聚对苯二甲酸丁二醇酯β晶型形成,整体的机械性能也更好。通过基于剪切流场主导的双螺杆挤出机和基于拉伸流场主导的偏心转子挤出机制备了不同热塑性聚氨酯含量的聚对苯二甲酸丁二醇酯/热塑性聚氨酯共混物,通过扫描电子显微镜观察两相形态,广角X-射线衍射仪和差示扫描量热仪表征结晶行为和晶体结构,热重分析仪表征共混物的热稳定性能,运用力学拉伸,弯曲和冲击测试共混物的力学性能。结果表明:通过基于拉伸流场主导的偏心转子挤出机制备的聚对苯二甲酸丁二醇酯/热塑性聚氨酯共混物两相相容性好,刻蚀后发现热塑性聚氨酯分散相的分布和尺寸比双螺杆挤出机制备的共混物中热塑性聚氨酯分散相的分布更加均一、尺寸更小,同时热稳定性和力学性能也优于双螺杆挤出机制备的共混物,另外当热塑性聚氨酯含量为25%时,共混物的冲击强度达到了7.8kJ/m~2,相比于纯聚对苯二甲酸丁二醇酯,提高了39.3%。利用基于剪切流场主导的双螺杆挤出机和基于拉伸流场主导的偏心转子挤出机制备了不同热塑性聚氨酯含量的聚对苯二甲酸丁二醇酯/热塑性聚氨酯/蒙脱土多相体系复合材料,通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察聚对苯二甲酸丁二醇酯/热塑性聚氨酯/蒙脱土多相体系的分散形貌和相态结构,广角X-射线衍射仪和差示扫描量热仪表征结晶行为和晶体结构,热重分析仪表征多相复合体系的热稳定性能,运用力学拉伸,弯曲和冲击测试多相复合体系材料的力学性能。结果表明:通过基于拉伸流场主导的偏心转子挤出机制备的聚对苯二甲酸丁二醇酯/热塑性聚氨酯/蒙脱土多相复合体系中,蒙脱土都是以更小的尺寸和更少的层数分散于基体中,插层剥离的现象更为明显,同时有聚对苯二甲酸丁二醇酯β晶型的形成,另外也具有更高的初始分解温度和最大分解速率温度。通过以上基于体积拉伸形变主导的偏心转子挤出机实验结果,发现了拉伸形变作用下共混过程中形态演变规律,证明了体积拉伸形变作用对聚酯复合体系良好的混合分散分布效果;通过调控拉伸力场作用可以诱导热塑性聚氨酯微纤化,制备高强度高韧性的原位成纤复合材料;总结了基于拉伸流场主导的偏心转子挤出机比基于剪切流场主导的双螺杆挤出机制备的复合材料体系,蒙脱土有更好的剥离分散效果,热塑性聚氨酯分散相尺寸更小分布更均匀,同时较大的拉伸应力可以使聚对苯二甲酸丁二醇酯形成β晶型,最终复合材料的机械力学性能更好。突出了体积拉伸形变对加工聚酯复合体系有显著的优势,为推进和发展拉伸形变加工技术提供有效的依据。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TQ317
【图文】：

因为聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂作为一种工程塑料，具备优异的机，同时成型尺寸稳定性好，耐疲劳性等特点，很好的满足了汽车零配件的而进一步加大了对 PBT 树脂的需求。在电子电气行业内，PBT 树脂具有能力，从而用于制作高压连接器，线圈骨架，照明用具，电容器和各类开。在纤维纺织领域，因为 PBT 树脂纤维在耐疲劳性、弹性和强度，抗化及染色能力这些方面性能突出，不存在薄弱方面，相较于其他材料整体性从而在毛衫面料和弹力面料这些市场得到了大规模的应用，未来的发展应明。从中国化学纤维工业协会统计的数据来看，中国 PBT 树脂纤维在 2为1.15万吨，到了2014年年产量就已经达到了2.02万吨了，这三年以惊人率保持增长，全国 PBT 树脂产量从 2015 年 3 万吨增产到了 2018 年的 15 年开始，凭借着 PBT 树脂包芯纱在质感和耐用程度等方面的优势，推动维的应用大范围扩展，另外更低的生产成本和价格加大了 PBT 树脂纤维求。

图 1-2 聚对苯二甲酸丁二醇酯应用领域Fig. 1-2 Application fields of polybutylene terephthalate常情况，聚合物的加工工艺过程首先是经过预先混合，其次是经过熔融完模具加工成型三个阶段，在一定的温度下使聚合物熔融塑化通过模具制成。聚合物生产成型加工设备主要包括密炼机、挤出机、注塑机、压延和吹中螺杆挤出机在塑料成型加工设备中最为畅销，扮演着不可或缺的角色主要结构的螺杆挤出机，加工过程中主要利用螺杆，物料与料筒三者之间切作用使加入的物料不断熔融，将物料熔化塑化输运到口模处。聚合物在程中主要受到剪切力作用的，聚合物的流动方向与速度梯度方向是垂直的曳的方式实现聚合物在料筒中的塑化输运，从而导致物料在螺杆挤出机的种会受到较长热历程，能耗高，混合混炼效果不佳，对聚合物分子链段的因此，为了弥补当前聚合物螺杆挤出机加工的不足之处，迫切需要从加工展新的加工成型原理和技术。

同之处就是酯基重复单元的亚甲基是 4 个，比 PET 的亚甲基重复单元多两个，因此相比于 PET，分子链柔的顺性增加，刚性有所下降。图1-3 聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）分子结构Fig. 1-3 Molecular structure of polybutylene terephthalatePBT 首先是德国科学家 P.Schlack 研发成功，经过美国企业 Celanese 于 20 世纪 70年代首先工业开发生产并以 Celanex 命名上市的工程塑料。在此之后，美国的企业有 GE和 Ticona，德国的企业有 Bayer 和 BASF，日本的企业有三菱化成和帝人相继投入生产。我国的主要企业也有长春人造树脂、康辉石化、仪征化纤股份、江阴和利时、上海涤纶

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 ;The latest progress in research of plastics processing technology[J];Engineering Sciences;2012年01期

本文编号：2756434