低表面能含氟聚烯烃共混体系的制备、结构与阻隔效应

论文摘要

本研究设计了一种低表面能的含氟聚烯烃共混阻隔材料,其阻隔层为低表面能的含氟聚丙烯（FPP）。含氟聚丙烯具有优异的拒水拒油性,能有效降低水和烷烃类溶剂在其表面的浸润性能。论文首先采用反应性挤出的方法制备了低表面张力的含氟聚丙烯（FPP）,并对含氟丙烯酸酯类单体接枝聚丙烯的工艺条件及反应机理进行研究。采用表面光电子能谱（XPS）、X-射线衍射（XRD）、热分析（DSC）)、偏光显微镜（POM）、熔融指数仪和万能材料试验机等测试技术对含氟聚丙烯的表面性能、结晶行为和力学性能进行分析。结果表明,含氟基团在FPP材料表面聚集,越接近材料的表面,氟的浓度越高。FPP的表面张力明显降低,可降低至20mN/m左右,远远低于普通PP（约30mN/m）。XRD及DSC分析表明,含氟丙烯酸酯反应单体能诱导聚丙烯β晶型的出现,接枝后的FPP为α晶和β晶共存的一种混晶结构,偏光显微镜显示FPP中β晶的环状球晶形态。FPP表面的含氟基团和β晶体的存在导致FPP的抗冲击强度和热变形温度提高。另外,含氟聚丙烯具有较好的紫外光吸收能力,能有效阻止紫外光的透过。当含氟丙烯酸酯含量为20%时,FPP在290至400nm处紫外光的透过率在3%-20%之间,远远低于普通PP的35%-70%。然后利用层状共混技术制备PP/FPP层状阻隔材料,研究层状形态与螺杆转速、挤出温度等工艺条件之间的关系,分析分散相与基体相的两相粘度比、界面张力对层状形态的影响,并采用层状共混吹塑技术制备了PP/FPP吹塑容器,研究吹塑工艺以及原料配比对PP/FPP吹塑容器渗透性能的影响,确定最佳工艺。结果表明,层状形态与两相粘度比和两相间的界面张力有关,当η分散相/η基体>1时,有利于层状形态形成。层状形态阻碍了断裂纹的发展,导致PP/FPP共混材料断裂强度增加。PP/FPP吹塑容器对极性溶剂丙酮、非极性溶剂二甲苯和水的阻渗透性能明显提高,尤其是对水的阻渗透性。当加工温度为190℃,螺杆转速为400rpm时,PP/FPP吹塑容器可形成薄而长的层状结构,此时吹塑容器的阻渗透性能最佳。最后针对低表面能的含氟聚烯烃阻隔材料的阻渗透性能进行理论分析和实验验证。研究认为,层状阻隔材料的介质渗透过程可分为基体材料、阻隔层材料的本体渗透作用和二元组分间界面的渗透作用。当阻隔层的渗透作用远低于基体和界面之间的渗透作用时,阻隔层的本体渗透作用可以忽略,此时仅考虑基体本体及其和阻隔层之间的界面渗透作用。针对低表面能含氟聚烯烃层状阻隔材料,其阻隔机理可以认为是基体的扩散曲折路径理论和界面间的毛细浸润速率降低理论。理论BI值的计算公式为:

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 聚合物共混制备聚烯烃基层状阻隔材料的研究进展
• 1.2.1 聚烯烃基阻隔材料的种类及性能
• 1.2.2 层状共混形态的形成与控制
• 1.2.3 层状阻隔理论研究进展
• 1.3 本课题的研究内容
• 第二章 低表面能含氟聚丙烯（FPP1）的研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料
• 2.2.2 实验仪器及设备
• 2.2.3 实验方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 接枝反应机理
• 2.3.2 FTIR 分析
• 2.3.3 接枝工艺探讨
• 2.3.4 PP 和FPP1 的表面结构与性能
• 2.3.5 PP 和FPP1 的晶体结构
• 2.3.6 PP 和FPP1 的DSC 分析
• 2.3.7 PP 和FPP1 球晶结构及形态
• 2.3.8 PP 和FPP1 的力学性能
• 2.4 小结
• 第三章 长碳链含氟丙烯酸酯熔融接枝聚丙烯（FPP2）的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料
• 3.2.2 实验仪器及设备
• 3.2.3 实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 FTIR 分析
• 3.3.2 FPP2 接枝率的测定
• 3.3.3 PP 和FPP2 的表面结构与性能
• 3.3.4 PP 和FPP2 的晶体结构
• 3.3.5 PP 和FPP2 的DSC 分析
• 3.3.6 PP 和FPP2 的球晶结构及形态
• 3.3.7 PP 和FPP2 的等温结晶动力学分析
• 3.3.8 PP 和FPP2 的力学性能
• 3.4 小结
• 第四章 PP/FPP 层状阻隔材料的制备及性能
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料
• 4.2.2 实验仪器及设备
• 4.2.3 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 PP 和FPP 的流变性能、剪切粘度比及界面张力
• 4.3.2 PP/FPP 共混体系的层状形态
• 4.3.3 PP/FPP 共混体系的抗紫外光穿透性能
• 4.3.4 PP/FPP 共混体系的力学性能
• 4.3.5 PP 和FPP 吹塑容器的阻隔性能
• 4.3.6 PP/FPP 吹塑容器的阻隔性能
• 4.4 小结
• 第五章 低表面能含氟聚烯烃体系的阻隔理论分析及实验验证
• 5.1 前言
• 5.2 阻隔材料的扩散渗透理论分析
• 5.2.1 介质在一元材料体系中的扩散渗透（本体材料中的扩散渗透）
• 5.2.2 介质在二元材料体系中的扩散渗透理论分析
• 5.3 低表面能二元层状阻隔聚合物材料的阻隔模型和理论分析
• 5.3.1 低表面能二元层状阻隔聚合物材料的阻隔理论的基本分析
• 5.3.2 阻隔层为低表面张力阻隔材料的阻隔模型
• 5.4 低表面能阻隔材料阻隔模型的实验验证
• 5.4.1 原料及制备方法
• 5.4.2 实验验证
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间已发表和待发表的论文
• 附录
• 符号说明
• 致谢