加工对玻纤增强三元体系微观形态、流变和力学性能的影响

发布时间：2016-05-09 15:15

第一章 绪论

在复合材料中呈分散形式；基体相主要是将增强相粘结在一起，并传递应力至增强相，是相对柔软和坚韧的连贯材料；界面相存在于基体相和增强相之间，使基体与增强体结合成一个整体。复合材料的性能取决于增强体和基体的比例、3个组成部分的性能。对玻纤增强高分子复合材料，只有当玻纤和高分子材料基体间产生牢固的界面结合，载荷才能有效地由基体传递至玻纤而起到增强的作用。聚合物/玻纤复合材料界面的形成可以分为两个阶段：第一阶段是聚合物基体与增强玻纤的接触与浸润过程。增强玻纤对基体分子的各基团和各组分的吸附能力不同，会吸附能降低其表面能的物质，所以界面层在结构上与增强玻纤和聚合物基体是不同的；第二阶段是界面的固化，聚合物通过物理或化学的变化而固化，结合玻纤形成固定的界面层，因此它直接决定所形成界面层的结构。在复合材料中，一般要求组分间能牢固结合并且具有足够的强度，因此必须使材料在界面上形成能量的最低结合，其中涉及到界面的粘合机理问题。许多学者从不同角度提出了各自的界面粘结机理[4]。

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第二章 实验原料、设备及方法

2.1 PA6/MMT 和 PA6/MMT/SGF 复合材料

测试仪器：英国 Bohlin 公司生产的旋转流变系统，型号为 Bohlin Gemini200，温控系统为 ETC 强制气体扩展温度炉。Gemini 系列旋转流变仪测量系统采用了 Bohlin 公司专有的 DSP Rotonetic 控制技术，它使 Gemini 系列旋转流变仪能在稳态、动态和瞬态模式下，完成各种直接应变控制测试；同时又能执行所有的应力控制测试。Gemini200 型旋转流变系统可在控制应力和控制应变模式下进行动态黏弹流变性能的测试，控制应变模式下扫描频率范围在 10-5s-1到 600 s-1之间，控制应力模式下扫描频率范围在 10-7s-1到 600 s-1之间。

2.2 PP/EPDM/SGF 复合材料

单螺杆挤出机 2#：型号 SE-45，螺杆直径 45mm，长径比 30/1，螺杆转速 9~60rpm，由本课题组自行设计，委托南京瑞亚高聚物装备有限责任公司制造，其中螺杆采用组合结构，螺杆的芯轴可以根据需求安装不同的螺杆元件。多边螺槽对流式螺杆（HP 螺杆）挤出机：机筒可打开，采用本课题组自行研发的多边螺槽对流式螺杆[60]。单螺杆挤出机组的构建：多边螺槽对流式螺杆挤出机（简称 HP 螺杆挤出机）开设有两个进料口，在出料口连接扁平机头，将单螺杆挤出机 1#和单螺杆挤出机 2#分别与HP 螺杆挤出机两个进料口连接，组合成单螺杆挤出机 1#与单螺杆挤出机 2#并联后与HP 螺杆挤出机串联的单螺杆挤出机组。

第三章 MMT 和 SGF 对 PA6 流变性能的影响.............23 

3.1 剪切流变性能.................... 23

第四章 挤出 PA6/MMT/SGF 复合材料中 SGF 取向与分布以及动态流变性能...............31 

4.1 型坯机头内复合材料熔体流动的数值模拟............. 31

第五章 PP/EPDM/SGF 复合材料的微观形态、流变性能和力学性能..............................41 
5.1 相容剂和偶联剂含量对 PP/SGF 复合材料力学性能的影响 .................................... 41
5.2 混炼顺序对复合材料微观形态的影响............ 42

第五章 PP/EPDM/SGF 复合材料的微观形态、流变性能和力学性能

5.1 相容剂和偶联剂含量对 PP/SGF 复合材料力学性能的影响

PP/SGF 复合材料的制备方法如 2.2.3 节所述。表 5-1 所示为通过改变偶联剂和相容剂含量制备的 70/30 PP/SGF 复合材料样品的力学性能。纯 PP 的拉伸强度为 31.38MPa，缺口冲击强度为 6.37 kJ/m2。从表 5-1 可见，在 PP-g-MAH 含量为 5wt%的情况下，KH-550含量为 1wt%时，PP/SGF 复合材料样品的力学性能较好；在 KH-550 含量为 0.2 wt%的情况下，PP-g-MAH 含量为 10wt%时 PP/SGF 复合材料样品的力学性能最好，与纯 PP相比，拉伸强度提高 41.33%，缺口冲击强度提高 27.61%。但当选取 PP-g-MAH 含量10wt%，KH-550 含量为 1wt%时制备的 PP/SGF 复合材料样品的力学性能反而有所降低。

5.2 混炼顺序对复合材料微观形态的影响

图 5-1 是通过一步法制备的 PP/EPDM/SGF 复合材料样品的脆断面 SEM 照片。从图5-1（a1）和（a2）可以看出，SGF 沿流动方向排列，这是由于复合材料熔体流经扁平机头时所受的拉伸流场所致。并且由图可见，SGF 上还粘附着 PP，这表明经过偶联剂处理的 SGF 与 PP 之间的界面粘结强度得到提高。从图 5-1（b1）和（b2）可以看出，EPDM 相主要呈层状形态，并且存在一些液滴状形态，因此单螺杆挤出机 2#的交替螺杆元件以及 HP 螺杆产生的混沌流场使 EPDM 相形成层状形态。Zumbrunnen 等[70]研究了混沌混炼下 PS/LDPE 共混物形态演变的过程，发现两相由于混沌混炼的拉伸折叠作用形成多层结构，随着混炼时间的加长，分散相形成了层与层之间互相联结的结构。黄汉雄等[71,72]通过单螺杆挤出机研究混沌混炼流场对 PP/PA6 共混物相形态的影响，发现混沌混炼有利于共混物形成层状结构。

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结论

本文的主要目标是研究玻纤增强高分子复合材料加工条件、流变特征、微观形态和力学性能之间的关系。通过改变机头结构和螺杆转速，研究了 PA6/MMT/SGF 复合材料的流变性能及其型坯壁内 SGF 的取向分布；通过改变混炼顺序，研究了 PP/EPDM/SGF复合材料的微观形态、流变性能和力学性能以及三者之间的相互联系。研究得到如下结论。1.当剪切速率较高时，MMT 和 SGF 在剪切发生取向，复合材料的剪切黏度比纯 PA6 的高。MMT 和 SGF 会明显提高 PA6 的复数黏度、储能模量(G')和损耗模量(G")，同时使材料逐渐由 PA6 的弹性响应占主导地位变成黏性响应占主导地位。不同的螺杆转速和机头结构会显著影响(PA6/MMT)/SGF 复合材料的流变性能，当螺杆转速为 60rpm 时，经发散型机头挤出成型型坯壁内形成网状结构的次表层最厚，分别是经平直型机头挤出成型型坯的 5.51 倍和 6.14 倍。相同下复合材料的离模膨胀低于纯 PA6 的离模膨胀。机头结构和螺杆转速会影响 SGF 的取向分布。在经平直型机头成型型坯的壁内，SGF 沿流动方向取向。经发散型机头成型型坯的壁内，SGF 形成外表层、次外表层、芯层、次内表层和内表层五层不同的取向分布，各层厚度随螺杆转速的变化而变化。外表层和内表层中 SGF 沿流动方向取向且外表层厚度大于内表层厚度，芯层 SGF 的取向与熔体流动方向成一定的角度，次外表层和次内表层的 SGF 在复杂流场作用下形成网状结构。芯层 SGF 取向角随螺杆转速提高而增大，螺杆转速从 20rpm 增加到 133rpm 时，取向角度对应从 45°增大到 85°。

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参考文献（略）

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本文编号：43321