微纳层叠挤出技术的研究进展

综述了近年来微纳层叠挤出技术及其制品性能,重点介绍了国内外微纳层叠挤出技术发展历程及微纳层叠挤出制品在力学性能、光学性能、阻透性能、导电性能等方面的研究进展,为今后微纳层叠挤出技术的研究以及开发新型功能复合材料提供依据。

微纳层叠挤出技术制备NBR/PP热塑性弹性体及其性能研究

采用PP-g-MAH(马来酸酐接枝聚丙烯)作为相容剂,在PP-g-MAH和PP(聚丙烯)的共混物中当相容剂质量分数为5%、10%、15%的条件下,结合微纳层叠挤出技术制备了15组TPV(热塑性硫化胶)。采用普通共混的方法制备了对比的TPV样品。使用万能拉力试验机对所有样品进行了力学性能测试,使用扫描电子显微镜对TPV进行了表征,研究了TPV的力学性能和螺杆转速、温度间的关系。结果表明:随着温度的上升,TPV的拉伸强度和断裂伸长率都得到了提升,在PP-g-MAH质量分数为15%、温度为200℃、螺杆转速为250 r/min时,制备的TPV力学性能表现最好,拉伸强度和断裂伸长率分别为5.39 MPa、287.31%,断裂伸长率比同样条件下采用普通共混方法制备的热塑性弹性体提高15.58%。

环形微纳层叠挤出模具的结构设计与流场分析

微纳层叠挤出技术通过对高聚物材料微观形态进行调控来提高多方面的性能,例如力学、阻隔性能等。针对目前微纳层叠挤出技术中层叠模具单位体积内层叠单元较少,流量较低的情况,提出了一种将层叠单元进行环向布置的创新设计思想。设计了用于环向布置的层叠单元流道结构,并提出了模具内单组层叠单元环向布置与多组层叠单元环向布置的具体方案。设计表明,在相同体积下该结构可以布置更多的层叠单元,流量是传统设计的4倍。同时,流道长度为传统设计的60%。利用Polyflow软件对层叠单元的流道进行了数值模拟,结果表明流道压力和速度分布均匀,整体压力降较低。

基于微纳层叠技术的PVC分子取向对增塑剂迁移的影响

利用自制微纳层叠装置在挤出过程中对聚合物薄层产生的持续剪切作用,分别制备了3种具有不同取向程度的聚氯乙烯(PVC)片材,并通过扫描电子显微镜、万能试验机等对PVC片材的性能进行了分析和表征。结果表明,与不经层叠器挤出的试样相比,经2节层叠器和4节层叠器的片材沿挤出方向的拉伸强度分别提高了5.72%和10.18%,密度分别提高了2.81%和4.35%,挥发损失率分别降低了13.12%和37.65%。

基于微纳层叠技术制备(APP+PUR-T)/PUR-T交替多层阻燃材料的结构与性能

利用微纳层叠技术制备聚磷酸铵(APP)+热塑性聚氨酯(PUR-T)/PUR-T交替多层复合材料,通过扫描电子显微镜(SEM)、热重(TG)分析、极限氧指数(LOI)测试、垂直燃烧测试(UL 94)、万能试验机等对材料进行表征并分析其内在结构与性能的关系.结果表明,相比于传统的普通共混制备技术,微纳层叠挤出技术可以使APP在PUR-T基体中的分散性大大提高,从而提高整体材料的阻燃性能和热稳定性,当APP质量分数为15%时,通过微纳层叠挤出技术制备的复合材料的垂直燃烧达到UL 94 V–0级,LOI达到29.1%;同时微纳层叠挤出技术还可以有效地抑制传统普通共混方法中由于填料增加而导致的力学性能下降的负面影响.

基于微纳层叠共挤的PLA/PCL可降解微层薄膜的制备及性能研究

采用微纳层叠共挤出设备制备聚乳酸(PLA)/聚己内酯(PCL)可降解微层薄膜,利用扫描电子显微镜、万能材料试验仪、差示扫描量热仪和热失重分析仪等对微层薄膜的微观结构、力学性能和热稳定性进行表征。结果表明,PLA/PCL微层薄膜的热稳定性和力学性能均优于PLA/PCL共混薄膜;PCL对微层薄膜具有明显的增韧效果,同时可提高微层薄膜的结晶性能和热稳定性;当PLA/PCL配比为40/60、50/50或60/40时,PLA/PCL微层薄膜具有良好的综合性能,此时拉伸强度高于51.2 MPa,断裂伸长率高于568.6%,冲击强度高于100.7 J/m,微层薄膜中PLA相的结晶度高于43.28%、热降解峰值温度高于373.22℃。

微纳层叠共挤PP/PA6/CNTs原位微纤复合膜的制备及性能研究

采用双转子连续混炼挤出机与微纳层叠共挤出成型设备制备了聚丙烯/聚酰胺6/碳纳米管(PP/PA6/CNTs)复合材料和原位微纤复合膜,通过扫描电子显微镜(SEM)、流变仪、差示扫描量热仪(DSC)、万能拉伸试验机及电阻测试仪对其微观结构、流变性能、结晶性能、力学性能和导电性能进行了表征。结果表明,与共混相比,微纳层叠共挤出法使得分散相PA6/CNTs形成了微纤,微纤的形成不仅提升了复合膜的动态流变性能,并且增加了基体PP相的结晶度,提高了PA6相的结晶温度,提升了复合膜的结晶性能;当CNTs含量为0.5%(质量分数,下同)时,复合膜的拉伸强度和断裂伸长率均达到最大值,分别为42.17 MPa和857.82%,体积电阻率(R)下降到104Ω·cm,综合力学性能和导电性能达到最佳。

基于微纳层叠的PET/PA6双向拉伸薄膜的制备与性能研究

以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和尼龙6(PA6)为实验原料,分别以PA6的质量分数为10%和20%来配比PET/PA6混合料,再通过双螺杆挤出机挤出造粒后得到PET/PA6复合粒料。分别以纯PET和两种不同配比的PET/PA6复合材料为实验原料,通过微纳层叠挤出设备制备样品,并进行力学性能和阻透性能测试。结果表明:纯PET样品的拉伸强度最低,为226.07 MPa(MD)和282.83 MPa(TD),随着PA6质量分数的增加,样品的拉伸强度逐渐升高,样品的断裂伸长率随着PA6质量分数的增加逐渐增大,当PA6质量分数达到20%时,样品的断裂伸长率达到最大值,为60%(MD)和72%(TD);随着PA6质量分数的增加,样品的撕裂强度逐渐升高,当PA6质量分数达到20%时,样品的撕裂强度达到最大值,为31.57 MPa(MD)和29.22 MPa(TD)。TD的拉伸强度比MD的大,断裂伸长率也比MD的大,TD的撕裂强度比MD的小。PA6可以改善PET的阻隔性,提高PET的阻透性能,但是过量的PA6会使PET膜阻透性能降低。

MMT在不同基体中的分散取向性

利用自行设计制造的微纳层叠挤出成型设备制备了不同基体材料的9层MMT含量为3%的试样。通过SEM、TEM和WAXD测试,研究了基体不同物化性质对MMT在基体组份中分散取向的影响。结果表明:对于不同基体材料PP(K7708),PP(T30S),LLDPE(DFDA7042)和HDPE(7000F)9层MMT含量为3%的MMT纳米复合材料,不同基体高分子物理与化学性质对MMT的分散取向效果不同;基体材料熔体黏度高、分子链结构单一的能促进MMT剥离分散;通过改变基体材料可以达到MMT在基体材料中可控取向分散的目的,其中,在以HDPE(7000F)为基体组份中,被剥离的MMT以单片形式分散在基体组份中的数量最多。

基于分子动力学模拟研究聚合物链排列对多层聚合物薄膜阻隔性能的影响

通过微纳层叠挤出技术制备聚丙烯(PP)多层膜,利用分子动力学模拟从微观分子链取向状态探究多层结构对PP薄膜阻隔性能的影响。实验结果表明,与PP单层膜相比,PP多层膜的阻隔性能明显提升,其氧气透过系数和水蒸气透过系数分别下降了23.9%和86.4%。通过分子动力学模拟构建了PP单层膜和多层膜的渗透率模型,通过渗透率模型比较了小分子通过PP单层膜和多层膜的扩散路径。结果发现,与PP单层膜相比,PP多层膜界面处的二维分子链取向使得其内部小分子扩散路径更加曲折,这是PP多层膜具有良好阻隔性能的重要原因之一。同时,通过PP单层膜与多层膜力学性能的对比实验分析,验证了渗透率模型的准确性。