超临界CO2环境下的聚碳酸酯结晶及对其发泡的影响
聚碳酸酯(PC)，是一种广泛使用的热塑性工程塑料，具有优异的抗冲击性能、耐热性、低介电常数、高透明度等优点，但容易应力开裂。通过发泡工艺，在PC中引入微孔结构，可以有效阻止裂纹扩展，增强力学性能，同时具有轻量化、低成本、隔音隔热、降低介电常数等性能。而如何获得泡孔密度高、尺寸小的高倍率PC发泡材料是当今最主要的研究热点和方向。 本文首先系统研究了超临界CO2在PC中的溶解与扩散特性，在此基础上，建立了PC/CO2发泡的非等温生长模型，结合间歇发泡实验结果，验证了模型的可靠性。通过数值模拟计算分析了工艺参数、材料性能对气泡生长的影响规律。结果表明:工艺参数方面，增大压降速率和降温速率有利于提高泡孔成核密度，降低泡孔尺寸。而温度降低引起的体系黏度提高和扩散系数减小能显著降低气泡生长速率，有利于减小泡孔尺寸;物性参数方面，聚合物的熔体黏度、表面张力对气泡生长起到阻碍作用，扩散系数、亨利常数则对气泡生长起到促进作用。 其次，通过添加有机纳米黏土促进CO2诱导PC结晶，微晶粒作为物理交联点提高PC熔体黏弹性，又可作为气泡成核点促进泡孔成核，提高成核密度，减小泡孔尺寸。采用差示扫描量热仪、旋转流变测试仪、电子扫描显微镜，结合间歇发泡实验，系统研究了纳米黏土添加量、饱和温度、饱和时间等对PC熔体粘弹性、结晶及泡孔结构的影响规律。结果表明:纳米黏土加入降低了PC的熔体黏度，提高了分子链的活动能力，显著提高CO2诱导PC结晶速率。在170℃、15MPaCO2下，0.25％添加量样品仅饱和10min就可诱导PC结晶，随着纳米黏土含量增加，PC的结晶速率增大;随着饱和时间的延长，结晶度迅速增加。同样条件下，3％添加量样品饱和15min结晶度便达到18.85％。而随着饱和温度的升高，结晶速率不断降低，结晶度先增大(180℃达到24.02％)后减小，发泡样品DSC曲线中双熔融峰则升高融合，表明晶体结构逐渐完善，初生晶体占比增大。结晶对发泡过程的影响十分显著，均匀分散的晶体能够大量诱导气泡成核。在185、15MPa下，相比PC纯料，3％添加量样品的结晶度随时间延长增大到11.39％，泡孔密度增大8.39倍、泡孔直径减小80％、但发泡倍率仅有1.38。而在同样的条件下，0.25％添加量样品结晶度仅0.33％，泡孔密度就增大了1.92倍、泡孔直径减小35％、而发泡倍率较高为4.78。 再次，共混亲CO2的PMMA以提高CO2在PC共混物中的溶解度，增强CO2诱导PC结晶。优化共混工艺及添加催化剂，改善PMMA与PC的相容性。系统研究了PMMA添加量、CO2饱和温度及饱和时间对PC发泡样品的泡孔结构和结晶性能的影响规律，建立了结晶与泡孔结构之间的定量关系。结果表明:相比添加纳米黏土，共混物的结晶速率较低更易调控，也随着温度的升高而降低。在170℃、15MPa下，随着时间的延长，结晶度不断增大，发泡倍率先增大后减小，而PMMA含量越高，最大发泡倍率越大。当结晶度小于2％时，随着结晶度的增大，与未结晶时相比，泡孔密度增大了2.06倍，泡孔直径减小了30.81％;而当结晶度大于4％后，己溶解的CO2会被排出，极大限制气泡成核生长，泡孔密度随之降低。而饱和时间一定(40min)，温度升高，粘度、结晶度、CO2溶解度均下降，当温度低于185℃时，随着温度升高，气泡成核主要受结晶度与粘度的相对比值的影响，随着比值减小，泡孔密度从1.25×108cells/cm3增大至1.83×108cells/cm3;而当温度高于185℃时，CO2溶解度的降低对气泡成核的影响占据主导地位，泡孔密度下降但仍有1.43×108cells/cm3。 最终通过改性PC优化工艺条件发现，当纳米黏土含量为0.25％或PMMA含量为10％时，在15MPa、180-185℃附近发泡效果最好，通过延长饱和时间调控结晶度能够实现泡孔密度高，尺寸小且分布均匀的高倍率PC发泡材料的制备。
聚碳酸酯;超临界CO2;共混改性;发泡倍率;诱导结晶;数值模拟
北京化工大学
硕士
机械工程
信春玲;李东生
2021
中文
TQ328
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）