【摘要】：聚合物采用不同的加工和成型方式會形成不同的微觀形貌結(jié)構(gòu),這直接影響產(chǎn)品最終結(jié)構(gòu)和性質(zhì),這表明加工和成型的方式對聚合物產(chǎn)品的優(yōu)劣有著決定性的作用。傳統(tǒng)的螺桿擠出機加工成型裝備都是基于剪切流場主導的塑化輸運過程,擁有較長的機械歷程和較大的剪切力場,對聚合物分子鏈有一定的破壞作用。然而,自主研發(fā)的新型偏心轉(zhuǎn)子擠出機是基于拉伸流場主導的塑化輸運成型加工設(shè)備,具有更短的機械歷程,更低的加工能耗,更好的混合分散分布效果,同時由于拉伸流場主導的塑化輸運的加工過程對聚合物分子鏈破壞較小,能夠更好的保持聚合物原本的性能。因此,結(jié)合基于拉伸流場主導的偏心轉(zhuǎn)子擠出機的結(jié)構(gòu)特征和聚合物材料的本身特性,對比傳統(tǒng)螺桿擠出機加工方式,全面深入的研究基于體積脈動塑化輸運過程中聚酯復合體系混合分散分布特點以及拉伸形變作用下對聚酯復合體系材料結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律,對制備高性能聚酯復合材料和推進聚合物成型加工設(shè)備創(chuàng)新發(fā)展都有著極為重要的意義。本文介紹了基于體積拉伸流場主導的偏心轉(zhuǎn)子擠出機的結(jié)構(gòu)特點,重點介紹了偏心轉(zhuǎn)子擠出機的核心是由偏心轉(zhuǎn)子和定子組成的擠壓系統(tǒng),其中轉(zhuǎn)子和定子都具有拓撲性質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu),當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,在轉(zhuǎn)子與定子之間的物料腔體沿著定子的軸向和徑向發(fā)生周期性變化,使得物料在周期性的壓縮和膨脹過程中受到體積拉伸形變作用力場,這種拉伸力場貫穿了物料的固體輸送區(qū),熔融區(qū)和熔體輸送區(qū)整個熔融塑化過程。通過對在體積脈動塑化輸運加工過程中的聚對苯二甲酸丁二醇酯/熱塑性聚氨酯共混物驟冷拆機后各段分別取樣,深入探究聚酯復合體系在拉伸形變作用下共混形態(tài)演變過程及機理,采用掃描電子顯微鏡,廣角X-射線衍射儀和差示掃描量熱儀測試表征儀器分別對熔融塑化輸運各段的混合分散分布形態(tài)特征和晶體形態(tài)結(jié)構(gòu)進行表征,發(fā)現(xiàn)在體積拉伸形變作用下,聚對苯二甲酸丁二醇酯較快的完成了熔融塑化過程,同時熱塑性聚氨酯作為分散相的粒徑最終達到0.6μm。研究基于體積拉伸流場主導的偏心轉(zhuǎn)子擠出機通過“熔融擠出-淬冷”的成型加工方法制備聚對苯二甲酸丁二醇酯/熱塑性聚氨酯原位成纖共混物,拉伸形變作用誘導熱塑性聚氨酯在基體中的成纖現(xiàn)象,結(jié)果表明:調(diào)控拉伸形變作用可以形成分布均一和大長徑比的熱塑性聚氨酯微纖,通過提高轉(zhuǎn)速增強拉伸流場作用后,熱塑性聚氨酯微纖化程度更加顯著,形成的聚氨酯微纖分布更加致密,長徑比更高,從而顯著的提高了聚對苯二甲酸丁二醇酯/熱塑性聚氨酯共混物的拉伸強度和沖擊強度。保持熱塑性聚氨酯含量為25%,將轉(zhuǎn)速從30rpm提高到60rpm后,拉伸強度從35.7MPa增加到了44.5MPa,沖擊強度從16.6kJ/m~2提高到了88.5kJ/m~2。與此同時高度纖維化的熱塑性聚氨酯限制了聚對苯二甲酸丁二醇酯的分子鏈段運動,降低了聚對苯二甲酸丁二醇酯的結(jié)晶溫度和結(jié)晶度。采用基于剪切流場主導的雙螺桿擠出機和基于拉伸流場主導的偏心轉(zhuǎn)子擠出機制備了不同蒙脫土含量的聚對苯二甲酸丁二醇酯/蒙脫土復合材料,通過掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察聚對苯二甲酸丁二醇酯/蒙脫土復合材料中蒙脫土在分散形態(tài),廣角X-射線衍射儀和差示掃描量熱儀表征結(jié)晶行為和晶體結(jié)構(gòu),熱重分析儀表征復合材料的熱穩(wěn)定性能,運用力學拉伸,彎曲和沖擊測試復合材料的力學性能。結(jié)果表明:通過基于拉伸流場主導的偏心轉(zhuǎn)子擠出機制備的聚對苯二甲酸丁二醇酯/蒙脫土復合材料剝離插層效果更好,另外由于拉伸形變作用對高分子鏈段的破壞小,具有更高的起始分解溫度和最大失重速率溫度,同時當蒙脫土含量為5%和9%時,發(fā)現(xiàn)有聚對苯二甲酸丁二醇酯β晶型形成,整體的機械性能也更好。通過基于剪切流場主導的雙螺桿擠出機和基于拉伸流場主導的偏心轉(zhuǎn)子擠出機制備了不同熱塑性聚氨酯含量的聚對苯二甲酸丁二醇酯/熱塑性聚氨酯共混物,通過掃描電子顯微鏡觀察兩相形態(tài),廣角X-射線衍射儀和差示掃描量熱儀表征結(jié)晶行為和晶體結(jié)構(gòu),熱重分析儀表征共混物的熱穩(wěn)定性能,運用力學拉伸,彎曲和沖擊測試共混物的力學性能。結(jié)果表明:通過基于拉伸流場主導的偏心轉(zhuǎn)子擠出機制備的聚對苯二甲酸丁二醇酯/熱塑性聚氨酯共混物兩相相容性好,刻蝕后發(fā)現(xiàn)熱塑性聚氨酯分散相的分布和尺寸比雙螺桿擠出機制備的共混物中熱塑性聚氨酯分散相的分布更加均一、尺寸更小,同時熱穩(wěn)定性和力學性能也優(yōu)于雙螺桿擠出機制備的共混物,另外當熱塑性聚氨酯含量為25%時,共混物的沖擊強度達到了7.8kJ/m~2,相比于純聚對苯二甲酸丁二醇酯,提高了39.3%。利用基于剪切流場主導的雙螺桿擠出機和基于拉伸流場主導的偏心轉(zhuǎn)子擠出機制備了不同熱塑性聚氨酯含量的聚對苯二甲酸丁二醇酯/熱塑性聚氨酯/蒙脫土多相體系復合材料,通過掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察聚對苯二甲酸丁二醇酯/熱塑性聚氨酯/蒙脫土多相體系的分散形貌和相態(tài)結(jié)構(gòu),廣角X-射線衍射儀和差示掃描量熱儀表征結(jié)晶行為和晶體結(jié)構(gòu),熱重分析儀表征多相復合體系的熱穩(wěn)定性能,運用力學拉伸,彎曲和沖擊測試多相復合體系材料的力學性能。結(jié)果表明:通過基于拉伸流場主導的偏心轉(zhuǎn)子擠出機制備的聚對苯二甲酸丁二醇酯/熱塑性聚氨酯/蒙脫土多相復合體系中,蒙脫土都是以更小的尺寸和更少的層數(shù)分散于基體中,插層剝離的現(xiàn)象更為明顯,同時有聚對苯二甲酸丁二醇酯β晶型的形成,另外也具有更高的初始分解溫度和最大分解速率溫度。通過以上基于體積拉伸形變主導的偏心轉(zhuǎn)子擠出機實驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)了拉伸形變作用下共混過程中形態(tài)演變規(guī)律,證明了體積拉伸形變作用對聚酯復合體系良好的混合分散分布效果;通過調(diào)控拉伸力場作用可以誘導熱塑性聚氨酯微纖化,制備高強度高韌性的原位成纖復合材料;總結(jié)了基于拉伸流場主導的偏心轉(zhuǎn)子擠出機比基于剪切流場主導的雙螺桿擠出機制備的復合材料體系,蒙脫土有更好的剝離分散效果,熱塑性聚氨酯分散相尺寸更小分布更均勻,同時較大的拉伸應力可以使聚對苯二甲酸丁二醇酯形成β晶型,最終復合材料的機械力學性能更好。突出了體積拉伸形變對加工聚酯復合體系有顯著的優(yōu)勢,為推進和發(fā)展拉伸形變加工技術(shù)提供有效的依據(jù)。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB33;TQ317
【圖文】：

因為聚對苯二甲酸丁二醇酯樹脂作為一種工程塑料，具備優(yōu)異的機，同時成型尺寸穩(wěn)定性好，耐疲勞性等特點，很好的滿足了汽車零配件的而進一步加大了對 PBT 樹脂的需求。在電子電氣行業(yè)內(nèi)，PBT 樹脂具有能力，從而用于制作高壓連接器，線圈骨架，照明用具，電容器和各類開。在纖維紡織領(lǐng)域，因為 PBT 樹脂纖維在耐疲勞性、彈性和強度，抗化及染色能力這些方面性能突出，不存在薄弱方面，相較于其他材料整體性從而在毛衫面料和彈力面料這些市場得到了大規(guī)模的應用，未來的發(fā)展應明。從中國化學纖維工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來看，中國 PBT 樹脂纖維在 2為1.15萬噸，到了2014年年產(chǎn)量就已經(jīng)達到了2.02萬噸了，這三年以驚人率保持增長，全國 PBT 樹脂產(chǎn)量從 2015 年 3 萬噸增產(chǎn)到了 2018 年的 15 年開始，憑借著 PBT 樹脂包芯紗在質(zhì)感和耐用程度等方面的優(yōu)勢，推動維的應用大范圍擴展，另外更低的生產(chǎn)成本和價格加大了 PBT 樹脂纖維求。

圖 1-2 聚對苯二甲酸丁二醇酯應用領(lǐng)域Fig. 1-2 Application fields of polybutylene terephthalate常情況，聚合物的加工工藝過程首先是經(jīng)過預先混合，其次是經(jīng)過熔融完模具加工成型三個階段，在一定的溫度下使聚合物熔融塑化通過模具制成。聚合物生產(chǎn)成型加工設(shè)備主要包括密煉機、擠出機、注塑機、壓延和吹中螺桿擠出機在塑料成型加工設(shè)備中最為暢銷，扮演著不可或缺的角色主要結(jié)構(gòu)的螺桿擠出機，加工過程中主要利用螺桿，物料與料筒三者之間切作用使加入的物料不斷熔融，將物料熔化塑化輸運到口模處。聚合物在程中主要受到剪切力作用的，聚合物的流動方向與速度梯度方向是垂直的曳的方式實現(xiàn)聚合物在料筒中的塑化輸運，從而導致物料在螺桿擠出機的種會受到較長熱歷程，能耗高，混合混煉效果不佳，對聚合物分子鏈段的因此，為了彌補當前聚合物螺桿擠出機加工的不足之處，迫切需要從加工展新的加工成型原理和技術(shù)。

同之處就是酯基重復單元的亞甲基是 4 個，比 PET 的亞甲基重復單元多兩個，因此相比于 PET，分子鏈柔的順性增加，剛性有所下降。圖1-3 聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）分子結(jié)構(gòu)Fig. 1-3 Molecular structure of polybutylene terephthalatePBT 首先是德國科學家 P.Schlack 研發(fā)成功，經(jīng)過美國企業(yè) Celanese 于 20 世紀 70年代首先工業(yè)開發(fā)生產(chǎn)并以 Celanex 命名上市的工程塑料。在此之后，美國的企業(yè)有 GE和 Ticona，德國的企業(yè)有 Bayer 和 BASF，日本的企業(yè)有三菱化成和帝人相繼投入生產(chǎn)。我國的主要企業(yè)也有長春人造樹脂、康輝石化、儀征化纖股份、江陰和利時、上海滌綸

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 ;The latest progress in research of plastics processing technology[J];Engineering Sciences;2012年01期

本文編號：2756434