调控聚乙烯/聚苯乙烯共混物的界面作用对于相结构与发泡行为的影响

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yuxiguang
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随着尖端技术、国防、工农业生产和人们生活的长足进步,对材料性能提出了越来越高的要求,往往单一材料的性能已经无法满足使用要求,更多的需要多种性能并存。同样,对泡沫材料来说,我们更期待所制备的泡沫产品具备多种性能,能满足更高的要求。众所周知,聚乙烯(PE)泡沫有不吸水、不透水蒸气、柔韧性好等优点,但是其压缩性能较差;相对地,聚苯乙烯(PS)泡沫却具有抗压缩蠕变性强的优点。如果将两种泡沫材料有效的复合起来,取长补短,那么共混物泡沫就可同时具备材料成本和性能上的优势。要实现性能上的最优复合,共混物泡沫结构的控制是关键。从热力学上来说,PE、PS是不相容的,无论物理混合还是混合后发泡过程,两相界面的调控是关键。本工作以通用树脂PE、PS以及共混物作为基体,从调控PE、PS两相界面性能为切入点,以合成的增容剂(聚乙烯-g-聚苯乙烯,PE-g-PS)或者商业化的纳米粒子作添加剂,研究了界面行为、相态结构的改变对共混物在超临界二氧化碳釜式发泡过程中发泡行为的影响。本质上说,PE/PS共混物的界面始终是宏观的相界面,为此我们直接把PE-g-PS作为发泡基体,此时PE与PS分子链的共价键连接就消除了宏观相界面对发泡行为的影响。由于主链PE为结晶性的,因此我们研究了结晶性能对接枝共聚物发泡行为的影响。具体研究内容如下:  1、结合开环易位聚合(ROMP)和原子转移自由基聚合(ATRP)技术合成了结构明确的聚乙烯-g-聚苯乙烯(PE-g-PS),将PE-g-PS作为线性低密度聚乙烯(LLDPE)/PS共混物的增容剂。一方面,我们考察了PE-g-PS对LLDPE/PS共混物相形貌的影响。另一方面,采用超临界CO2作为物理发泡剂,研究了增容剂PE-g-PS的添加含量以及PS支链长度对不同组成比的LLDPE/PS共混物的釜式发泡形貌的影响。在所用实验条件下,发现PE-g-PS对LLDPE/PS共混物的发泡行为的影响强烈依赖于共混物的组成(相态结构)。系统研究了增容作用和LLDPE/PS共混物的组成二者相互作用如何对共混物发泡行为的影响。发现增容作用对于体系发泡行为的影响与体系相形态密切相关。与纯LLDPE、PS相比,具有海岛结构的共混物的发泡形貌有所提高,但是PE-g-PS的加入对这些共混物的发泡行为影响不大。相反地,具有双连续相结构的LLDPE/PS共混物在加入PE-g-PS后发泡能力显著提高。这主要归因于增强的界面黏附“锁住”了CO2从两相界面扩散出去的通道。这种作用对于具有双连续相结构的体系非常重要。研究也表明,样品的流变性能和结晶性能并不是决定增容前后样品的发泡行为显著变化的主要因素。  2、以PE-g-PS作为发泡基体,通过超临界CO2釜式发泡工艺研究了PS支链长度变化对其固态发泡行为的影响。采用含高锰酸钾的刻蚀试剂对发泡前后的样品脆断面进行了刻蚀,考察了晶体结构的变化对发泡行为的影响。DSC、SEM表征结果表明,支链长度的增加导致PE-g-PS的结晶度、球晶尺寸同时减小。当发泡温度为109℃时(低于熔点),对于球晶尺寸大、结晶度高的PE-Br或PE-g-PS,成核、泡孔生长发生在片晶之间的无规区域,显示呈“花状”的泡孔形貌,即典型的以球晶为模板的受限发泡行为。当PS侧链长度增加时,PE-g-PS0.48k样品显示两种泡孔结构。当引入更长的PS支链以后,球晶尺寸更小,易在球晶边缘与无规区界面成核且小球晶的片晶对发泡空间限制变弱,使得发泡形貌呈现完全发起来的状态,泡孔结构均匀。通过对于不同发泡温度的发泡行为,发现发泡温度的高低决定球晶模板对固态发泡行为的限制作用的强弱。通过对于相同PE/PS组成的LLDPE/PS与接枝共聚物PE-g-PS的发泡行为,发现界面性能对发泡过程的影响十分显著,从而导致不同的泡孔结构。  3、通过溶液混合或者熔融共混的方法在LLDPE/PS(w/w)=50/50(或者60/40)中加入四氧化三铁(OA-Fe3O4)、疏水性气相二氧化硅(Hydrophobic SiO2)和炭黑(CB)纳米粒子,SEM、TEM表征了纳米粒子加入后合金形貌以及纳米粒子的分布和分散行为。同时,采用超临界CO2釜式发泡工艺考察了纳米粒子的加入对纳米复合物的发泡行为的影响。SEM表征表明,纳米粒子的加入,PS相尺寸都呈减小的趋势,当添加含量提高到一定值时,共混物的相结构会发生突变。发泡结果表明,纳米粒子的加入能有效的改善共混物LLDPE/PS(w/w)=50/50(或者60/40)发泡行为。纳米粒子的加入对LLDPE/PS(w/w)=50/50(或者60/40)共混物发泡行为的影响是相结构、纳米粒子所起的异相成核二者共同作用的结果。我们也证明,纳米粒子的添加导致发泡能力的突变并不是由结晶性能引起的。
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