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原位复合材料论文
燕京理工学院
《高分子材料》论文
题目原位复合材料
学号10012006
班级高材1003
姓名
日期:
二○一三年06月16日
原位复合材料
摘要
原位复合材料(in-situcomposite):
用短纤维来增强热塑性树脂早已成为高分子材料领域中的一个普通和重要的技术。
短纤维的加入一般会导致聚合物熔体粘度上升、加工困难和能耗增加、螺杆和机筒磨损增加并且寿命减短,一方面难以得到均匀的纤维分散,一方面常会导致物料污染和性能下降。
关键词:
原位复合,热塑性树脂,聚合物,反应共混
in-situcomposite
ABSTRACT
In-situcomposites(in-situcomposite):
short-fiber-reinforcedthermoplasticresinusedhavebecomeacommonandimportantinthefieldofpolymermaterialstechnology.Fiber'saccessionwillgenerallyresultinhigherviscosityofpolymermelts,processingdifficultyincreases,thescrewandbarrelwearandenergyconsumptionincreasesandreducedlifeexpectancy,aredifficulttoobtainuniformfiberdispersionontheonehand,ontheonehandhasoftenresultedinpollutionanddegradationinperformance.
KEYWORDS:
in-situcomposite,thermoplasticresin,polymer,thermoplastic
第一章绪论
1.引言
继高性能热致性液晶聚合物发展之后,材料科学领域近年又出现了一类称为“原位复合”的新型材料。
它是以热致性液晶聚合物作为增强剂,通过在热塑性聚合物基体中就地形成微纤结构,达到增强基体的力学性能的。
由于微纤直径小,比表面大,易于基体相接触,所以材料性能提高显著。
且原位复合材料可以用熔融共混直接制备,通过注塑挤出成性。
耗能低、效率高、易于实现工业化。
因此这类材料发展前景可观、应用领域宽广,目前国际哈桑研究工作报道甚多。
2.原位复合材料的发展简史
原位复合材料的概念是Celanese公司的G.Kiss【1】于1987年提出的。
这种材料一般是指热致性液晶聚合物(LCP)与热塑性聚合物(TP)共混而形成的复合材料。
它是以LCP作为增强剂,TP作为基体就地形成的微纤结构,从而达到提高基体力学性能的目的【2】。
比如【3】国外,CHEN等研究了聚甲基丙烯酸丁酯(PBMA)与纳米CaCO3复合材料的流变性PBMA/CaCO3复合材料是由BMA与MA所沉淀的CaCO3原位共聚合而成,分析比较了BMA/CaCO3混合物和PBMA/CaCO3复合材料的流变性。
结果表明:
BMA/CaCo3混合物的黏性随CaCO3含量(质量分数下同)的增加而有明显的增大。
在复合材料原位聚合过程中从BMA/CaCO3混合物到PBMA/CaCO3复合材料反应体系的黏度增加了104。
国内,董先明等通过原位聚合法制备了炭黑/聚甲基丙烯酸甲酯(CB/PMMA)、炭黑/聚甲基丙烯酸丁酯(CB/PBMA)和炭黑/聚甲基丙烯酸-2-乙基己酯(CB/PEHMA)【4】3种导电复合材料,研究了这3种聚合物基体对复合材料的导电性影响下降趋势,多分散性系数PDI变大,而且炭黑粒子表面发生了接枝聚合反应,这有利于炭黑粒子在聚合物基体中的分散。
苑会林等研究了纳米CaCO3原位本体聚合丙烯【5】的方法及其产品的性能。
采用经表面处理的纳米CaCO3和加入聚合釜的方法,经在12m3聚合釜的本体聚合生产表明,聚合物产品中纳米CaCO3分散均匀,物理性能和热性能均有所改善,其是机械性能显著提高。
利用毛细管流变仪研究了产品的流变行为结果表明复合材料的表观黏度对温度的变化不敏感。
邬润德等通过有机单体原位聚合包覆纳米CaCO3与聚丙烯(PP融熔共混合制备了PP/纳米CaCO3复合材料【6】,研究了填料/包覆聚合物比、接枝聚丙烯以及复合填料含量对缺口冲击强度的影响。
结果表明,纳米CaCO3只需填加5%(质量分数)就可以将缺口冲击强度提高为原树脂的2倍左右。
张广平等在反应器原位分散共聚中加入成核剂和纳米CaCO3制备增强型聚丙烯共聚物【7】,增强型共聚物的冲击强度、弯曲强度和热变形温度大幅提高,拉伸强度也有所增强,同时结晶峰温度显著提高,且半结晶时间明显减少。
王平华等对PP/PMMA/CaCO3纳米复合材料的制备、结构及力学性能进行了研究。
分别将不同表面处理的纳米CaCO3粒子与聚合物PP共混,制备PP/CaCO3和PP/PMMA/CaCO3纳米复合材料。
用TEM观察表面处理后的纳米粒子的粒径及分散情况,发现复合粒子分散较均匀。
研究了复合材料的结晶【8】行为,发现原位聚合制备的PMMA/CaCO3纳米复合粒子与PP共混后,PP有异相成核作用,出现了不稳定的β晶型,PP/PMMA/CaCO3纳米复合材料力学性能有大幅度的提高。
3.实施方法具体实例
无机物聚合物纳米复合材料以其独特的性能受到世界各国的高度重视,国内外纷纷采用各种各样的方法对其进行研究,原位聚合法就是近年来发展比较迅速且效果明显的好方法。
目前,关于原位聚合的研究主要集中在纳米粒子的表面处理和在基体中的分散、纳米粒子与聚合物之间的界面结合情况,以及复合材料各方面的性能改善上,并取得了一定的进展。
案例
(1).
K.Sivaprasada,S.P.KumareshBabua,S.Natarajana,R.Narayanasamyb,B.AnilKumarb,G.Dineshb
印度国家科技研究所冶金材料工程学院的蒂鲁吉拉伯利【9】关于Al6063/TiB2原位复合材料磨擦与侵蚀磨损行为的研究报告就专业的指出了原位复合材料优良的耐摩擦与耐腐蚀性。
他做了一个实验是浸湿腐蚀试验,浸湿腐蚀试验运用一种摩擦磨损技术中的罐装置在印度金奈进行。
设计了六边形的样品具(夹具)方便一次测试六个样品。
试验条件如下:
磨损硅沙,颗粒尺30-80mesh,样品旋转速度500rpm,沙成分33%,改变样品高度滑动,样品旋转时间8h。
每次测试后用一个数字平衡仪(型号SartoriusCP423S),精度为0.001g,测量质量亏损量,进而测出磨损量。
磨损率表示:
质量亏损量/移动距离(kmg/km)。
运用SEM分析磨损表面形貌。
结果讨论3.1.复合材料特性3.11.TiB2颗粒含量Al6063硬度值。
随着TiB2颗粒含量的增加,微观硬度增加,原因是因为良好的颗粒弥散分布【10】。
还有一个是泥浆腐蚀磨损实验,图1为不同wt.%TiB2颗粒质量百分数下摩擦距离增大体积损耗现象。
通过改变样品在泥浆中的选择时间改变摩擦距离。
可以看出,TiB2颗粒质量百分比增加,体积损耗减少:
随着摩擦滑动距离增加,体积损耗增加。
随着TiB2颗粒质量百分比增加,体积损耗随着时间延长减少。
TiB2颗粒抑制复合材料磨损,而非基合金。
由于TiB2颗粒质量百分比增加,体积亏损在摩擦两个小时后越来越少。
因为TiB2颗粒质量百分比增加,TiB2颗粒阻止硅沙颗粒对样品的冲击。
计算磨损速率能更好地理解质量亏损随时间变化的亏损程度。
图2是磨损变化变化率与TiB2颗粒质量百分比和时间的关系。
随TiB2颗粒质量百分比增加,时间的延长,磨损率降低。
在硅沙颗粒的冲击下,TiB2颗粒质量百分比为0的Al6063有一个光滑的表面。
Yaeretal【11】.图1分析指出腐蚀主要与材料的客观机械性能有关,特别是材料的硬度。
磨损速率随时间延长而减小,随TiB2颗粒质量百分比增加也降低。
Ramachandra和Radhakrishna【12】分析指出,Al金属基复合材料的侵蚀腐蚀通常由三种不同机理产生:
基金属合金的腐蚀,基金属的摩擦磨损及腐蚀层的形成,磨损碎屑和由腐蚀悬浮冲击在样品表面弥散分布的增强剂。
样品表面许多区域浸入泥浆使更多基金属的磨损,导致样品初期大量质量亏损。
磨损速率下降是由于腐蚀层在样品表面形成不同TiB2颗粒增强复合材料的保护层,阻碍了磨损运动。
磨损速率随着磨损距离的增大而减小,而增大。
随时间的延长,磨损抗性也随之增大。
图3是磨损抗性随时间和TiB2颗粒百分质量比变化的关系。
时间越长,TiB2颗粒百分质量比越高,抗磨损性越大。
案例
(2).
中南大学肖代红,宋旻,陈康华关于原位自生钛基复合材料的研究中也从专业的角度介绍了原位自生钛基复合材料主要制备方法以及增强体/钛基体选择要点的基础上,兼介该材料的组织结构和力学性能。
自蔓延高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis,SHS)、放热扩散法(ExothermicDispersion,XD)、熔铸法(IngotMetallurgy,IM)等7种制备方法来制备原位自生钛基复合材料【13】,不管用什么方法是次要的,如何合成也是可以进一步研究和深化改革的,关键是看一下,这个原位自生钛基复合材料的各种性能,尤其是它显著的力学性能。
看看这和普通金属复合材料的性能比较。
在金属基复合材料中,增强体的均匀分布,对材料性能至关重要。
增强体分布不均匀将导致复合材料的性能恶化。
过去,用外加法制备的材料性能稳定性差,主要原因在于增强体【14】在基体中分布不均匀。
在铸造过程中,由于熔体表面能、增强体和基体密度不同等因素,导致增强体在基体中团聚;同样,在用粉末冶金制备复合材料过程中,细小的增强颗粒在混和过程中,容易发生团聚。
而在原位自生复合材料中,原位生成的增强体细小,在基体中分布更加均匀,因此大大提高了材料的屈服强度【15】、硬度、抗蠕变和耐磨性能。
典型的原位自生TiC颗粒和TiB晶须增强钛基复合材料的性能。
与未增强的钛相比,复合材料的强度和弹性模量都有明显提高,并且随着增强体体积分数的增加而增加,同时,塑性明显下降,但当增强体的体积分数达到25%时,复合材料的强度反而降低。
与TiC颗粒相比TiB晶须增强的效果更好。
MAZY等比较了用反应热压法制备的15%TiB/Ti和15%(TiB+TiC)/Ti原位自生钛基复合材料和未增强的钛的压缩性能,在623~923K,复合材料的压缩强度明显高于纯钛的强度;同时,用Ti-B4C制备的(TiC+TiB)/Ti的强度明显高于用Ti-TiB2制备的TiB/Ti的强度。
4.结语:
综上所述,原位复合材料不仅仅是在有机高分子材料上有巨大的开发潜力和发展前途,甚至在无机非金属材料方面也有很大的潜力可以发掘。
在导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻燃、防热、吸声、隔热等各个方面都需要不断的探索和发现。
目前,高性能的复合材料用量居多,功能性复合材料开发十分活跃,预计未来聚合物纳米复合材料的需求将会快速增加,品种更加丰富,渗入更多的应用领域,发展前景十分看好。
但纳米粒子在聚合物基体中的分散一直制约着纳米复合材料行业的发展。
影响纳米粒子分散的主要因素包括粒子间的团聚力、纳米粒子与基体浸润性、粒子在分散过程中所受的力及其类型、通过熔体传递给纳米粒子的分散能量密度等。
根据目前的研究发展情况,对于纳米复合材料的发展应关注以下两点:
一是通过精细地表征分析结构与性能的关系,设计制造出性能更优异的纳米复合材料。
二是,开展基础和应用研究,在继续开展简单纳米材料研究的同时注意,对纳米复合体系的探索和对新现象的研究。
参考文献
[1]Kiss.GPolym.Eng.Sci.1987.27(6).410
[2]张秋禹原位复合材料同纤维复合材料性能的比较,化工新型材料,2000,28(3),8
[3]杨秀新,闫国亭,李伟,原位复合法在纳米材料中的应用。
2008.9.25(5)
[4]谷文祥,董先明,尹立辉普通高等教育"十一五"国家级规划教材:
有机化学(第3)科学出版社(2012-10出版)
[5]苑会林,李运德,闫雪晶,徐焕,木粉填充聚氯乙烯发泡体系的力学性能研究,氯乙烯,2002,6:
29~32
[6]邬润德等,耐腐蚀塑料化学工业出版社(1988)
[7]平,纳米碳酸钙改性聚丙烯共聚物的非等温结晶动力学.高分子材料科学与工程,2004,20
(1):
157-160
[8]严满清,“聚丙烯/PMMA/CaCO3纳米复合材料的制备、结构与力学性能”,应用化学,20(11),1066(2003)。
[9]国家冶金材料工程学院,蒂鲁吉拉伯利620015,印度
[10]S.Kumar,V.SubramanyaSarma,B.S.Murty,Mater.Sci.Eng.A465(2007)160–164.
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[12]M.Ramachandra,K.Radhakrishna,Wear262(2007)1450–1462
[13]肖代红,宋旻,陈康华原位自生钛基复合材料的研究
[14]王敏敏,计波,罗月新朱峰等,原位自生钛基复合材料的产业分析
[15]王国全,聚合物共混改性原理及应用,中国轻工业出版社。
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