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聚丙烯复合材料的性能和断裂行为的研究

聚丙烯复合材料的性能和断裂行为的研究

聚丙烯(PP)作为一种应用非常广泛的通用塑料,具有价格低廉、质量轻、使用温度高、刚性和拉伸强度高等优点,但同时也存在着冲击强度低,低温易脆断等缺点,因而,对聚丙烯进行增韧补强改性以提高其使用性能对于扩展其应用领域有着重要的意义。为此,本文围绕着聚丙烯改性,拟选择以粉末橡胶与碳酸钙为填充体,采用熔融共混工艺改性聚丙烯材料,获得粉末橡胶/聚丙烯二元复合材料与粉末橡胶/碳酸钙/聚丙烯二元复合材料;在对复合材料微结构特征、力学性能、耐热与流变性能等进行细致表征的基础上,探讨了填充体增韧补强的机理;进而,对于基本断裂功方法,研究了聚丙烯基复合材料的断裂行为以及填充体种类、填充量等对于复合材料断裂行为的影响,为进一步进行聚丙烯及其它高分子材料的改性提供理论基础。 所得到主要结果如下: (1)采用熔融共混法制备粉末胶粉/聚丙烯复合材料,细致研究了复合材料的微观结构、结晶行为、耐热性、力学强度和流变性质。结果表明:采用纳米胶粉为填充体,其在聚丙烯中得到良好的分散,大幅度改善了聚丙烯的抗冲击性能,当其添加量达到12phr时,冲击强度增加至纯聚丙烯的193.0%,而弯曲强度、拉伸强度略有降低,降低幅度分别为9.4%和14.6%;相比之下,填充微米级胶粉所得复合材料其冲击强度提高了33.0%,弯曲强度与拉伸强度分别下降了27.0%和26.2%。纳米胶粉起到了异相成核的作用,降低了聚丙烯的过冷度,缩短了半结晶时间;普通胶粉对于聚丙烯的结晶熔融行为没有明显影响。两种胶粉都能降低复合材料的玻璃化转变温度和储能模量,损耗因子也同时下降;提高了聚丙烯的热降解温度;降低聚丙烯的维卡软化温度,且微米级胶粉填充体系的维卡温度都要低于纳米胶粉填充体系;随着纳米胶粉填充量的增加,聚丙烯的表观粘度上升,在低频区的动态模量逐渐增强并表现出类固态响应,材料表观粘度的剪切敏感性增强。 (2)采用熔融共混法制备粉末胶粉/碳酸钙/聚丙烯复合材料,细致研究了复合材料的微观结构、结晶行为、耐热性、力学强度和流变性质。结果表明:纳米胶粉和碳酸钙的共混填充能大幅提高聚丙烯的冲击强度、弯曲强度等力学性能,在两者填充比例为8:4时冲击强度最好,比纯聚丙烯提高了106%;两种粒子在聚丙烯中都能起到异相成核的作用,减小体系的过冷度,缩短半结晶时间,提高体系的结晶性能;复合材料的耐热分解性能提高,耐热变形性能也得到改善;随着碳酸钙填充量的增加,体系的玻璃化转变温度升高,储能模量增大,同时材料的损耗因子升高;随着碳酸钙填充量增加,复合体系的玻璃化转变温度上升,储能模量增加;体系表观粘度对于剪切速率具有较强的敏感性,且随着碳酸钙填充量的增加而下降;频率升高体系的粘性模量上升,并在低频区表现出类固态粘弹响应。 (3)采用基本断裂功方法对聚丙烯/纳米胶粉二元体系以及聚丙烯/纳米胶粉/碳酸钙三元体系的断裂行为进行了研究,使用图像采集器记录断裂过程,利用场发射扫描电镜观察断面形貌。结果表明:在胶粉/聚丙烯二元体系中,纳米胶粉提高了聚丙烯的比基本断裂功,当其填充量为8phr时材料的比基本断裂功达到最大值,为纯聚丙烯的2.17倍;材料屈服前的比基本断裂功变化不大,成颈-撕裂阶段的比基本断裂功明显增加;材料的比非基本断裂功提高,说明纳米胶粉的填充能提高聚丙烯的塑性变形能力,采集的断裂图像显示添加胶粉后材料的塑性区域面积增大。 在聚丙烯/纳米胶粉/碳酸钙三元共混体系中,碳酸钙粒子和纳米胶粉都能提高聚丙烯的比基本断裂功,二者共同填充能够获得更好的增韧效果,当二者填充量都为6phr时复合材料的比基本断裂功达到最大,为纯聚丙烯的2.4倍;三元体系屈服前的比基本断裂功变化不大,成颈-撕裂阶段的比基本断裂功明显增加;三元复合材料的比非基本断裂功随着碳酸钙填充比例的增加而下降,说明碳酸钙促进聚丙烯产生塑性变形的能力不如纳米胶粉。

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