聚丙烯/天然海藻纤维复合材料的制备及性能研究

论文摘要

本论文以聚丙烯（PP）为基体树脂、以天然海藻纤维（SW）为增强材料,制备了全新的聚丙烯/天然海藻纤维（PP/SW）复合材料。基于对“熔融加工-注塑成型”工艺参数的优化,在普通热塑性复合材料成型设备中成功制备了PP/SW复合材料,并对其力学性能、热机械性能、结晶性能、动态流变特性、热稳定性及燃烧性能进行了详细表征。本论文提出了PP/SW复合材料内部相结构的转变模型,并发现SW纤维对PP树脂的固相阻燃剂功效。首先探讨PP/SW复合材料的可加工性,比较了SW纤维添加量、螺杆挤出机类型对复合材料熔融过程的影响。实验结果表明,双螺杆挤出机可有效对PP/SW复合材料进行熔融加工,能在保证SW纤维热稳定性的同时实现其在PP树脂中良好的分散性。TPU可作为高效熔融助剂消除熔体破裂现象。然而SW纤维添加量不应超过50wt%,以保证足够的熔体流动性能；熔融温度不应超过185℃,螺杆转速不应超过60rpm,以避免SW纤维剧烈热降解的发生。同时,PP/SW复合材料可通过注塑成型工艺制备,最佳注塑成型参数为：注塑温度=180℃,螺杆转速=60rpm,注塑压力=保压压力=60bar,模具温度=60℃,冷却时间=45s。通过力学性能表征衡量了SW纤维对PP树脂的增强效果。研究表明,表面碱处理能去除杂质从而提高SW纤维强度。然而PP树脂与SW纤维之间的弱相容性导致复合材料低劣的力学强度,因此必须使用界面相容剂。本论文将界面相容剂作用机理区分为“内相容机理”及“外相容机理”。结果表明“外相容剂”MAPP及“内相容剂”CESA均能有效提高PP/SW复合材料的力学强度；热机械测试中储能模量及损耗模量的提高同样证明了SW纤维对PP树脂的增强作用。然而损耗因子的不同改变趋势证明两种相容剂不同的作用机理；MAPP提高了PP/SW复合材料的刚性而CESA提高了柔性。SW纤维能加快PP树脂的结晶过程,但降低了相对结晶度。MAPP及CESA均能提高PP树脂的相对结晶度,充分发挥SW纤维的异相成核作用。动态流变学测试给出界面相容剂对PP/SW复合材料相结构改变的信息。SW纤维能有效的增强PP树脂,末端区“牛顿平台”的出现说明PP树脂与SW纤维物理交联网络的形成；同时PP/SW复合材料较宽的线性粘弹区域证明了成型加工工艺的可行性。CESA通过对相结构的改变,从本质上提高了PP树脂与SW纤维之间物理交联网络的表观屈服应力；而MAPP对末端区特性改变不明显。通过“时-温等效原理”分析,CESA将PP/SW复合材料从非均相体系转变为均相体系,从而提高了相结构的稳定性。在测试温度范围内,CESA避免了PP/SW复合材料内部相分离情况的发生。本论文还系统研究了PP/SW复合材料的热降解及燃烧性能。SW凭借自身良好热稳定性,能有效推迟PP树脂的热降解过程。SW纤维同时能发挥固相阻燃功效,显著降低PP树脂的燃烧参数。稳定的相结构有利于充分发挥SW纤维阻燃效应,最终实现其热释放总量及热释放速率峰值分别下降25%和75%,达到普通应用标准。然而,SW纤维没有改变PP树脂的可燃性。研究表明,PP/SW复合材料具有理想的加工性能,其基本性能达到使用要求；同时PP/SW复合材料的耐热、耐燃烧性能明显优于PP树脂,具有耐热复合材料的应用前景。本论文的研究丰富了PP/NVF复合材料中的界面相容剂作用理论,并为此类复合材料研究提出新的思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 复合材料概述
• 1.1.1 复合材料的组成
• 1.1.2 聚合物基复合材料
• 1.2 聚丙烯（PP）及聚丙烯基复合材料
• 1.2.1 聚丙烯（PP）
• 1.2.2 PP基复合材料改性进展
• 1.3 聚丙烯/天然植物纤维（PP/NVF）复合材料概述
• 1.3.1 天然植物纤维（NVF）
• 1.3.2 热塑性树脂/天然植物纤维复合材料的发展现状
• 1.3.3 PP/NVF复合材料的界面相容性问题
• 1.3.4 PP/NVF复合材料的制备工艺
• 1.4 课题提出及研究内容
• 1.4.1 天然植物纤维的选择
• 1.4.2 复合材料的界面相特性研究
• 1.4.3 本课题的研究内容
• 1.4.4 本课题的研究目标
• 第2章 PP/SW复合材料的可加工性研究及成型加工工艺的确定
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 主要原辅材料
• 2.1.2 仪器及设备
• 2.1.3 SW纤维表面预处理
• 2.1.4 PP/SW复合材料的制备流程
• 2.1.5 测试方法及性能标准
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 碱处理对SW纤维性能的影响
• 2.2.2 PP/SW复合材料熔融挤出设备的确定
• 2.2.3 PP/SW复合材料熔融加工参数的确定
• 2.2.4 PPA对PP/SW复合材料可加工性的提高
• 2.2.5 PP/SW复合材料注塑成型工艺参数的确定
• 2.3 本章小结
• 第3章 PP/SW复合材料的力学性能、热机械性能及结晶性能
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 主要原辅材料
• 3.1.2 仪器及设备
• 3.1.3 材料制备
• 3.1.4 测试方法及性能标准
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 SW纤维添加量及其碱处理对PP/SW复合材料力学性能的影响
• 3.2.2 MAPP对PP/SW复合材料力学性能的影响
• 3.2.3 CESA对PP/SW复合材料力学性能的影响
• 3.2.4 界面相容剂对PP/SW复合材料力学性能及微观形貌的影响
• 3.2.5 PP/SW复合材料的动态热机械性能
• 3.2.6 PP/SW复合材料的结晶性能
• 3.3 本章小结
• 第4章 PP/SW复合材料的动态流变性能及界面相形态
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 实验部分
• 4.1.2 实验设备及仪器
• 4.1.3 材料制备
• 4.1.4 测试方法及性能表征
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 PP/SW复合材料线性粘弹性区域的确定
• 4.2.2 PP/SW复合材料的末端区粘弹性
• 4.2.3 PP/SW复合材料体系均一性的改变
• 4.2.4 PP/SW复合材料的相分离分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 PP/SW复合材料的热降解及燃烧性能
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 主要原辅材料
• 5.1.2 实验设备及仪器
• 5.1.3 材料制备
• 5.1.4 测试方法及性能标准
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 PP树脂及SW纤维的热降解过程
• 5.2.2 PP/SW复合材料的热降解过程
• 5.2.3 PP/SW复合材料的热解参数
• 5.2.4 PP/SW复合材料的燃烧参数
• 5.2.5 PP/SW复合材料的燃烧过程
• 5.2.6 SW纤维的凝固相阻燃机理阐述
• 5.2.7 PP/SW复合材料的燃烧性
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结论
• 参考文献
• 致谢