原位成纤增强微孔发泡材料制备机理及应用研究
航空航天、交通运输、电子工业与新能源等领域的快速发展对于轻质功能型复合材料的需求十分迫切，通过构建多元复合体系并对增强相形态分布进行调控是实现材料功能应用需求的重要途径。微孔发泡作为聚合物轻量化最具代表性的工艺，将微米级多孔结构作为增强相形态分布调控对象可实现轻质功能化目标。然而，共混聚合物形态控制与填料聚结问题限制了复合体系发泡性能以及微孔结构对于增强相形态分布的调控效果。为此，可控制分散相聚合物原位形成微纤网络结构的原位成纤工艺被用于改善热塑性聚合物发泡性能，良好分散的微纤网络能够有效提高基质熔体强度并促进异相成核，但目前原位成纤工艺被局限于微孔发泡材料泡孔结构与机械性能调控，难以满足功能型复合材料应用需求。 本文围绕原位成纤增强多元复合微孔体系制备机理，选择应用广泛的通用塑料聚丙烯（PP）作为基质、聚四氟乙烯（PTFE）作为原位成纤分散相，并针对功能型复合材料应用需求选择对应增强相，利用聚合物基质内原位形成的微纤网络对多元复合体系增强相形态分布、微观形貌与功能特性进行协同调控。通过研究揭示原位成纤增强多元复合微孔体系成型规律，阐明原位微纤网络对多元复合体系内不同形式增强相形态调控的作用机理，建立功能型复合材料微观形貌与宏观特性之间构效关系，为聚合物基微孔发泡材料功能化产业应用奠定理论基础。本文取得的研究成果如下： （1）基于原位成纤工艺控制分散相聚合物在基质内原位形成微纤网络结构，根据损耗角正切值频率无关性特征确定PTFE原位成纤增强复合体系微纤网络临界含量，同时利用元素能谱表征分析不同PTFE含量下氟元素含量及分布，并在刻蚀样品的SEM观察中发现基质内存在不同形态分布特征的原位微纤。 （2）将原位成纤工艺应用于共混聚合物增强相形态分布控制，研究发现原位微纤网络结构能够减少共混聚合物颗粒力场作用下相互碰撞而导致的集聚问题，从而降低了热塑性聚酯弹性体（TPEE）尺寸并改善其分布特征。将单一TPEE共混增强与单一PTFE原位成纤增强二元体系作为对比，进一步证明了原位成纤增强多元复合体系内机械性能与表面质量的改善效果主要得益于分布更为均匀的共混聚合物增强相。 （3）在共混聚合物增强相形态分布调控基础上，研究了原位微纤网络对不同含量无机填料分散特征的作用机理，结果发现原位微纤网络能够改善无机填料在聚合物基质内的分散情况，减少共混过程中填料为降低界面能而出现的聚结问题。分散改善后的无机填料能够与原位微纤网络协同提高了多元复合体系结晶流变特性，促使微孔发泡制品获得更为细密的泡孔结构，并在更高的无机填料填充下获得了更好的冲击强度增强效果。 （4）根据多孔材料热量传递机理，将填料分散特征改善前后的两种复合材料体系应用于高膨胀率微孔发泡材料制备，对比发现高压微孔发泡注射成型工艺下原位成纤增强复合体系隔热性能与压缩强度均高于单一滑石粉填充增强复合体系，但相同材料组分的高膨胀率微孔发泡制品在压缩性能上出现了一定的下降。 （5）针对导电聚合物复合材料电磁屏蔽应用需求，将原位成纤工艺进一步应用于碳基导电填料的形态分布调控上，结果证明了原位微纤网络对于碳基填料分布的促进作用。分布改善后的碳基填料与原位微纤网络协同促进了结晶性与泡孔结构的改善，而细密的泡孔结构在降低碳基填料含量的同时提高了复合体系电磁屏蔽效能，最终获得了电磁屏蔽效能超过20dB以及拉伸断裂伸长率达到194.40%的原位成纤增强微孔发泡材料。
原位成纤;微孔发泡材料;注射成型;电磁屏蔽
北京化工大学
博士
动力工程及工程热物理
谢鹏程
2022
中文
TB332
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）