增韌又增強型填充母粒的研究

    隨著高分子科學和技術的迅猛發展，社會對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、復合（簡稱 a bc）的方法對高分子材料加以改性，以求最大限度地發揮各自組分的特性，并賦予單一材料所不具備的優良品質。高性能復合材料的研究和開發已成為當代高技術的重要組成部分，也是高分子材料的一個重要發展趨勢，它正向著高比強度、高比模量、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等多方向發展。其中既增韌又增強的高分子復合材料已成為工程塑料改性研究的熱點。


　　但是，從材料科學的觀點來看，強度和韌性是結構材料的兩個特別重要但又相互矛盾的力學性能，材料同時增強、增韌的問題一直是高分子材料科學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度、剛度和尺寸穩定性等，但同時又極易導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，卻使材料的剛度、強度、使用溫度等指標發生較大幅度的降低。用機械共混的方式同時添加剛性粒子和橡膠形成的聚合物／彈性體／填料三相復合材料可以在一定范圍內平衡材料剛性與韌性的矛盾，卻不能同時獲得高強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。   


　 在國家自然科學基金委重點基金資助下，本實驗室首先在國內開展了聚合物非彈性增韌的基礎和應用基礎研究，經過多年努力，我們在無機剛性粒子替代橡膠增韌聚合物復合材料及其增韌機理方面進行了系統深入的研究，取得了突破性進展。在理論上闡明了無機剛性粒子增韌聚合物除了對填料的粒徑和粒徑分布有所要求外，必須對其界面相結構提出新的結構形式，即在均勻分散的剛性粒子周圍嵌入具有良好界面結合的和一定厚度的柔性界面相，以便在材料經受破壞時既能引發銀紋，終止裂紋擴張，還可以在一定形態結構條件下引發基體剪切屈服，從而耗散大量的沖擊能。   


　　然而，上述界面相結構均是在反應性擠出加工過程中形成的，材料性能不穩定，操作周期長，難于控制，因此很難將實驗室研制的高剛性高韌性高分子復合材料步入工業化生產階段，為此，在國家“863”計劃項目的資助下，提出了增強增韌填充母粒制備高性能復合材料的設想，并在該設想的指導下，研制成功聚丙烯用增強增韌填充母粒和尼龍改性用增韌劑母粒。


　　增強增韌填充母粒的研制涉及大量的邊緣學科：界面分子設計、填料和聚合物表面物理化學改性、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、聚合物結晶行為、材料力學性能、增強增韌機理，因此是一項十分復雜而又非常有意義的。我們在研究了無機粒子表面性質、分散相微觀結構和材料力學性能的三者關系之后，總結出增強增韌填充母粒制備高性能聚合物復合材料需具備的四條基本原則和創造性地解決了無機粒子均勻分散和界面結合相互矛盾的關鍵技術問題，通過高效的界面改性劑的使用和反應性擠出加工方法的運用，實現了少量橡膠原位浸潤、包覆無機剛性粒子的設想，研制成功了一種以單分散無機粒子為核和少量彈性體為殼的新型聚合物／無機粒子“殼—核”結構的增強增韌型的填充母粒。


     增強增韌填充母粒具有以下特點：


　　 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合過程由二次加工簡化為一次加工成為可能。  


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


　　填充母粒對聚丙烯的增強增韌效果：


　　 填充母粒（含量為40wt%）改性聚丙烯材料力學性能數據

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


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


拉伸強度（mpa）      30       25-30        25         20-25   


彎曲強度（mpa）     30      40-50         30        30-36   


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


　 在國內外現有眾多的填充母粒商品和研究報導中，至今尚未見高分散的、同時增強增韌高分子材料的填充母粒的報導。它的成功研制，為無機剛性粒子增強增韌聚合物界面結構模型的完善，復合材料界面設計與控制水平的提高作出了貢獻，并將為我國大品種通用塑料升級為工程塑料以及工程塑料進一步高性能化開辟新途徑，為聚合物材料的應用拓寬新領域，創造其應有的社會效益和經濟效益。  


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

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