不同聚丙烯发泡体系的挤出发泡行为研究

论文摘要

聚烯烃发泡材料已经在包装、汽车、建筑、工业、运动休闲等领域得到了广泛应用,但其中的聚丙烯发泡材料的成型加工比较困难,其主要原因是由于通用的线形聚丙烯（LPP）的熔体强度很低。如何有效提高其“可发性”,即提高发泡体系的熔体弹性（熔体强度）是聚丙烯挤出发泡成型中需要解决的最为关键的问题。与现有“交联、接枝、降低温度”等通用方法不同,本文提出了两种新型的技术途径——“熔融共混法”和“熔融插层法”以有效提高聚丙烯的“熔体强度”。研究工作主要围绕发泡体系的流变行为和结晶行为展开,这两种性能均对挤出发泡有重要影响。在此基础上进行了原材料配方和成型工艺对几种聚丙烯发泡体系挤出发泡行为的影响研究。希望通过研究工作的开展获得制备高熔体强度聚丙烯的新型技术,解决目前聚丙烯挤出发泡中的原料成本高的实际问题;同时积极探索控制发泡过程、提高聚丙烯发泡材料产品质量的更加有效的方法。主要工作如下:1、提出了“熔融共混法”制备高熔体强度聚丙烯,将长链支化聚丙烯（LCBPP）与线形聚丙烯进行熔融共混,制备了线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物,通过流变性能和力学性能的综合分析,确定了适宜于挤出发泡的共混物最佳配比为80/20,并依据聚合物大分子运动的Dio-Edwards的“蛇管”理论对此现象进行了合理解释。2、采用差示扫描量热法（DSC）对线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的结晶行为进行了研究,发现长链支化聚丙烯对于线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的结晶行为和结晶形态影响显著。长链支化聚丙烯结晶过程中的初始结晶温度、结晶峰温均高于线形聚丙烯10℃,两者共混物的结晶行为与长链支化聚丙烯类似。共混物的结晶成核方式为异相成核,结晶过程中并未发生结晶结构的显著变化。在长链支化聚丙烯存在的情况下,发泡体系的组成部分成核剂并未对线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的结晶行为产生重大影响。在一定的冷却速率下,成核剂“滑石粉”未能显著改变线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的初始结晶温度和结晶峰温。线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的非等温结晶动力学研究表明:线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物结晶的Avrami指数并未受到冷却速率的显著影响,从而为长链支化结构产生的“异相成核”提供了定量的依据。Ozawa方程和Mo方程可以用于处理线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的非等温结晶过程。由此,本文提出如下观点:（1）依据聚合物结晶的“自成核”理论,本研究中长链支化聚丙烯的长支链结构所产生的“异相成核”可以视为一种典型的“自成核”行为;（2）正是由于这种“自成核”,长链支化聚丙烯的长支链作为线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的结晶成核剂,先行结晶的晶粒因此可以被视为“物理交联点”,具有类似于橡胶弹性体中的化学交联点的作用,从而使得线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物表现出很好的熔体弹性（熔体强度）,是进行挤出发泡的良好聚丙烯发泡体系。3、在采用单螺杆挤出机进行的线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的连续挤出发泡行为研究中,通过优选成核剂、发泡剂类型和用量以及调整挤出发泡工艺,可以得到本体密度适中、泡孔密度达到106个/cm3数量级、泡孔尺寸100μm左右、泡孔分布均匀、开孔率低的聚丙烯发泡材料。4、提出了“熔融插层法”制备高熔体强度聚丙烯。将纳米粘土作为成核剂引入到聚丙烯发泡体系中,通过调整配方和工艺,使得聚丙烯“插层”进入纳米粘土颗粒的片层间,形成一种特定的“夹板”结构,这种“夹板”结构可以视为临时的“物理交联点”,起到了类似于橡胶弹性体中的化学交联点的作用,故此亦可以有效提高线形聚丙烯的熔体强度（熔体弹性）,从而改进线形聚丙烯树脂的“可发性”,这种方法简便、高效,有望成为一种高熔体强度聚丙烯制备的低成本技术。5、“熔融插层法”制备聚丙烯/纳米粘土复合材料的过程中发现,长链支化聚丙烯的“插层”效果要好于线形聚丙烯的“插层”效果。而纳米粘土的加入对于长链支化聚丙烯和线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的结晶行为和结晶形态也并未产生显著影响。6、在线形聚丙烯/纳米粘土复合材料的挤出发泡行为研究中发现纳米粘土片层可以遏制发泡过程中的气体损失,从而可以避免气泡增长过程中的气泡的塌陷,提高发泡倍率。由此,本文提出另外的观点如下:（1）纳米粘土作为成核剂引入到聚丙烯挤出发泡中,不仅可以促进气泡成核,而且可以阻止气泡增长过程中的气体损失,最为重要的作用是可以提高线形聚丙烯的熔体强度;（2）线形聚丙烯/纳米粘土复合材料可以成为一种良好的聚丙烯挤出发泡体系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 聚合物发泡材料简述
• 1.1.1 聚合物发泡材料的分类方法
• 1.1.2 聚合物发泡材料的发展历程
• 1.1.3 聚合物发泡材料的结构与性能的关系
• 1.1.4 聚合物发泡材料的应用领域
• 1.2 热塑性发泡材料发泡成型机理
• 1.2.1 气泡成核
• 1.2.2 气泡增长
• 1.2.3 气泡塌陷和破裂
• 1.2.4 固化定型
• 1.3 聚丙烯发泡材料简述
• 1.3.1 聚丙烯发泡材料的种类及其特点
• 1.3.1.1 聚丙烯模压发泡材料
• 1.3.1.2 聚丙烯挤出发泡片材
• 1.3.2 聚丙烯发泡材料的应用领域
• 1.4 聚丙烯的挤出发泡成型
• 1.4.1 聚丙烯挤出发泡的影响因素
• 1.4.2 发泡体系的流变行为对PP挤出发泡的影响
• 1.4.3 发泡体系的结晶行为对PP挤出发泡的影响
• 1.4.4 发泡剂对PP挤出发泡的影响
• 1.4.5 成核剂对PP挤出发泡的影响
• 1.4.6 加工设备对PP挤出发泡的影响
• 1.4.7 成型工艺对PP挤出发泡的影响
• 1.5 聚丙烯挤出发泡成型的研究现状
• 1.5.1 长链支化以提高聚丙烯的熔体弹性
• 1.5.2 快速气泡成核以降低泡孔尺寸,提高泡孔密度
• 1.5.3 控制发泡工艺以提高PP挤出发泡的发泡倍率
• 1.5.4 PP挤出发泡当前存在的问题
• 1.6 本文研究的内容和意义
• 第二章 线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的挤出发泡行为研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 主要原料
• 2.1.2 主要仪器及设备
• 2.1.3 试验过程
• 2.1.3.1 线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的流变性能研究
• 2.1.3.2 线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的发泡行为研究
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的流变性能
• 2.2.2 长链支化聚丙烯提高熔体强度的理论解释
• 2.2.3 线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混体系的挤出发泡行为
• 2.2.3.1 用于挤出发泡的线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混体系的确定
• 2.2.3.2 发泡剂的热分解行为
• 2.2.3.3 AC作为发泡剂的线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的挤出发泡
• 2.2.3.4 采用吸热型发泡剂的线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的挤出发泡
• 2.3 小结
• 第三章 线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的结晶行为
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 主要原料
• 3.1.2 主要仪器及设备
• 3.1.3 试验过程
• 3.1.3.1 试样制备
• 3.1.3.2 性能测试
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的结晶和熔融行为
• 3.2.2 线形聚丙烯/长链支化聚丙烯/滑石粉复合体系的非等温结晶行为
• 3.2.3 线形聚丙烯/长链支化聚丙烯共混物的非等温结晶动力学
• 3.2.4 共混物的结晶结构
• 3.2.5 共混物的结晶形态
• 3.3 小结
• 第四章 聚丙烯、长链支化聚丙烯/纳米粘土复合材料的制备
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 主要原料
• 4.1.2 主要仪器和设备
• 4.1.3 试验过程
• 4.1.4 性能测试与结构表征
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 3200与I.44P的插层效果
• 4.2.2 LPP、LCBPP/纳米粘土复合材料的插层结构分析
• 4.2.3 螺杆转速和相容剂用量对复合材料插层结构的影响
• 4.3 小结
• 第五章 聚丙烯/纳米粘土复合材料的挤出发泡行为研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 主要原料
• 5.1.2 主要仪器及设备
• 5.1.3 试验过程
• 5.1.3.1 聚丙烯/纳米粘土复合材料的流变性能
• 5.1.3.2 聚丙烯/纳米粘土复合材料的结晶行为和结晶形态研究
• 5.1.3.3 聚丙烯/纳米粘土复合材料的挤出发泡行为研究
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 聚丙烯/纳米粘土复合材料的流变性能研究
• 5.2.1.1 复合材料的动态剪切流变性能
• 5.2.1.2 复合材料的稳态剪切流变性能
• 5.2.1.3 纳米粘土提高聚丙烯熔体弹性的理论解释
• 5.2.2 复合材料的结晶行为和结晶形态
• 5.2.2.1 复合材料的非等温结晶行为
• 5.2.2.2 复合材料的结晶形态
• 5.2.3 线形聚丙烯/纳米粘土复合材料的挤出发泡
• 5.3 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 作者简介
• 附件