增韌又增強(qiáng)型填充母粒的研究

    隨著高分子科學(xué)和技術(shù)的迅猛發(fā)展，社會(huì)對(duì)高分子材料的要求也愈來愈高。單一高分子材料往往難以滿足這種要求，需要用合金、共混、復(fù)合（簡(jiǎn)稱 a bc）的方法對(duì)高分子材料加以改性，以求最大限度地發(fā)揮各自組分的特性，并賦予單一材料所不具備的優(yōu)良品質(zhì)。高性能復(fù)合材料的研究和開發(fā)已成為當(dāng)代高技術(shù)的重要組成部分，也是高分子材料的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，它正向著高比強(qiáng)度、高比模量、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等多方向發(fā)展。其中既增韌又增強(qiáng)的高分子復(fù)合材料已成為工程塑料改性研究的熱點(diǎn)。


　　但是，從材料科學(xué)的觀點(diǎn)來看，強(qiáng)度和韌性是結(jié)構(gòu)材料的兩個(gè)特別重要但又相互矛盾的力學(xué)性能，材料同時(shí)增強(qiáng)、增韌的問題一直是高分子材料科學(xué)有待解決的重要難題之一。   


　 一般來說，剛性粒子填充到聚合物基體中可以有效地提高材料的強(qiáng)度、剛度和尺寸穩(wěn)定性等，但同時(shí)又極易導(dǎo)致聚合物脆性的增加。而用彈性體增韌熱塑性塑料，在增韌的同時(shí)，卻使材料的剛度、強(qiáng)度、使用溫度等指標(biāo)發(fā)生較大幅度的降低。用機(jī)械共混的方式同時(shí)添加剛性粒子和橡膠形成的聚合物／彈性體／填料三相復(fù)合材料可以在一定范圍內(nèi)平衡材料剛性與韌性的矛盾，卻不能同時(shí)獲得高強(qiáng)度高性能的聚合物材料。因此，80年代以來，提出了用非彈性體（剛性粒子）增韌聚合物的改性新途徑。   


　 在國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)基金資助下，本實(shí)驗(yàn)室首先在國(guó)內(nèi)開展了聚合物非彈性增韌的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，經(jīng)過多年努力，我們?cè)跓o機(jī)剛性粒子替代橡膠增韌聚合物復(fù)合材料及其增韌機(jī)理方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，取得了突破性進(jìn)展。在理論上闡明了無機(jī)剛性粒子增韌聚合物除了對(duì)填料的粒徑和粒徑分布有所要求外，必須對(duì)其界面相結(jié)構(gòu)提出新的結(jié)構(gòu)形式，即在均勻分散的剛性粒子周圍嵌入具有良好界面結(jié)合的和一定厚度的柔性界面相，以便在材料經(jīng)受破壞時(shí)既能引發(fā)銀紋，終止裂紋擴(kuò)張，還可以在一定形態(tài)結(jié)構(gòu)條件下引發(fā)基體剪切屈服，從而耗散大量的沖擊能。   


　　然而，上述界面相結(jié)構(gòu)均是在反應(yīng)性擠出加工過程中形成的，材料性能不穩(wěn)定，操作周期長(zhǎng)，難于控制，因此很難將實(shí)驗(yàn)室研制的高剛性高韌性高分子復(fù)合材料步入工業(yè)化生產(chǎn)階段，為此，在國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，提出了增強(qiáng)增韌填充母粒制備高性能復(fù)合材料的設(shè)想，并在該設(shè)想的指導(dǎo)下，研制成功聚丙烯用增強(qiáng)增韌填充母粒和尼龍改性用增韌劑母粒。


　　增強(qiáng)增韌填充母粒的研制涉及大量的邊緣學(xué)科：界面分子設(shè)計(jì)、填料和聚合物表面物理化學(xué)改性、表面性能表征、界面相容劑的合成、界面相互作用、流變行為、填料分散速度和分散程度、聚合物結(jié)晶行為、材料力學(xué)性能、增強(qiáng)增韌機(jī)理，因此是一項(xiàng)十分復(fù)雜而又非常有意義的。我們?cè)谘芯苛藷o機(jī)粒子表面性質(zhì)、分散相微觀結(jié)構(gòu)和材料力學(xué)性能的三者關(guān)系之后，總結(jié)出增強(qiáng)增韌填充母粒制備高性能聚合物復(fù)合材料需具備的四條基本原則和創(chuàng)造性地解決了無機(jī)粒子均勻分散和界面結(jié)合相互矛盾的關(guān)鍵技術(shù)問題，通過高效的界面改性劑的使用和反應(yīng)性擠出加工方法的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了少量橡膠原位浸潤(rùn)、包覆無機(jī)剛性粒子的設(shè)想，研制成功了一種以單分散無機(jī)粒子為核和少量彈性體為殼的新型聚合物／無機(jī)粒子“殼—核”結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)增韌型的填充母粒。


     增強(qiáng)增韌填充母粒具有以下特點(diǎn)：


　　 1．填充母粒的添加，不但能顯著改善聚合物的加工流變性能，而且能在聚合物基體中重新快速、均勻分散，因此，使填充母粒與聚合物的復(fù)合過程由二次加工簡(jiǎn)化為一次加工成為可能。  


　　 2．填充母粒的添加，使聚合物復(fù)合材料的模量和韌性同時(shí)得到提高，即材料的模量和韌性均超過聚合物本身的數(shù)值，獲得一種既韌且剛的復(fù)合材料。


　　填充母粒對(duì)聚丙烯的增強(qiáng)增韌效果：


　　 填充母粒（含量為40wt%）改性聚丙烯材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)

均聚pp      母粒填充均聚pp       共聚pp       母粒填充共聚pp   


缺口沖擊強(qiáng)度（j/m）     20      80-90         150         300-400   


拉伸強(qiáng)度（mpa）      30       25-30        25         20-25   


彎曲強(qiáng)度（mpa）     30      40-50         30        30-36   


彎曲模量（gpa）   1.0       2.0~2.5          0.8       1.5-2.0   


　 在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有眾多的填充母粒商品和研究報(bào)導(dǎo)中，至今尚未見高分散的、同時(shí)增強(qiáng)增韌高分子材料的填充母粒的報(bào)導(dǎo)。它的成功研制，為無機(jī)剛性粒子增強(qiáng)增韌聚合物界面結(jié)構(gòu)模型的完善，復(fù)合材料界面設(shè)計(jì)與控制水平的提高作出了貢獻(xiàn)，并將為我國(guó)大品種通用塑料升級(jí)為工程塑料以及工程塑料進(jìn)一步高性能化開辟新途徑，為聚合物材料的應(yīng)用拓寬新領(lǐng)域，創(chuàng)造其應(yīng)有的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。  


　　目前增強(qiáng)增韌填充母粒可用于改性聚丙烯、聚乙烯塑料，同時(shí)提高其材料的剛性和韌性，拓寬它們的應(yīng)用范圍，如改性后的聚烯烴材料可應(yīng)用于汽車和機(jī)動(dòng)車零部件、家用電器外殼、電動(dòng)工具箱等。

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