超临界CO_2发泡聚苯乙烯泡沫形态结构调控研究

发布时间：2017-03-23 05:22

  本文关键词：超临界CO_2发泡聚苯乙烯泡沫形态结构调控研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：聚苯乙烯(PS)泡沫材料具有优异的保温绝热性能、缓冲性能、绝缘性能和耐腐蚀性能,传统的PS泡沫材料都是采用氟利昂类或是烷烃类作为发泡剂,随着人们环保意识的增强和生产安全关注度的提高,CO2作为绿色环保的发泡剂是未来应用的主要方向,但是CO2在PS中应用时存在溶解度低,扩散系数高等问题,使用其作为发泡剂,发泡材料的泡孔结构难以得到有效控制,而泡孔形态结构对于泡沫材料的性能具有重要影响,因此如何对PS和CO2发泡体系的泡孔形态结构进行调控具有重要意义。泡沫材料制备的过程中,气泡成核是其中最为关键的一个环节,使用气泡成核剂是控制泡孔形态结构的主要方法,传统的无机成核剂由于与聚合物相容性差,不仅在聚合物中很难分散均匀,而且对聚合物泡沫性能会产生不利影响。本文提出了以聚合物的交联点和共混物中的分散相作为成核剂的新方法,通过调整分散相和交联点的形态和分布,以达到调控泡孔形态结构的目的,同时聚合物的交联点和共混物中的分散相对于发泡剂的溶解度、气体在熔体中的扩散速率等方面都会产生影响,从而可以控制泡孔的形态结构。主要研究工作如下：(1)通过溶解—聚合法制备了PS/交联PS的共混物,通过调整单体部分的含量控制PS/交联PS共混物中的交联程度,从而调控交联点的数量和分布；采用釜压发泡法制备了PS/交联PS共混物泡沫,研究了交联点数量和分布与PS/交联PS共混物泡沫的泡孔形态之间的关系。结果表明,适量的交联单体可以使交联点均匀地分散在PS基体中,单体添加量过高,交联部分不能均匀地分散在线形部分中,使部分区域交联度过高；PS/交联PS共混物的熔体强度会随着单体用量的增加而先降低后增大；在PS/交联PS共混体系中,交联点可以起到异相成核剂的作用,表现出显著的异相成核行为,在苯乙烯(St)用量24份时,PS/交联PS共混物泡沫的泡孔密度可达到1.6×108个/cm3。(2)采用熔融共混的方法制备了PS和无定形聚合物聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PETG)共混物；采用釜压发泡法制备了PS/PETG共混物泡沫；采用二次降压法调控泡沫的成核和增长过程,制备复合泡孔结构的PS/PETG共混物泡沫。结果表明,PS/PETG的配比、混炼温度、密炼机转数对于PS/PETG共混物的相态结构有影响；分散相颗粒密度高、分散相颗粒均匀度高,有利于提高泡孔密度和泡孔尺寸的均匀度；通过调整混炼工艺,可以使PS/PETG共混物的分散相颗粒密度提高到3.32×1011个/cm3,使用该共混物发泡可以获得泡孔密度2.93×109个/cm3,平均泡孔直径7.65μm的微孔泡沫塑料；通过控制第一次压力降和其后的保压时间可以获得具有复合泡孔结构的共混物泡沫材料,在第一次压力降为2.5 MPa,第二次保压时间为20 min的条件下,可以获得大泡孔的平均泡孔直径220.8μm,泡孔密度6.27×105个/cm3,小泡孔平均泡孔直径58.4μm,泡孔密度2.62×107个/cm3的复合泡孔结构的PS/PETG共混物泡沫。(3)采用熔融共混的方法制备了PS和半结晶型聚合物聚乳酸(PLA)的共混物,采用反应型增容剂调控PLA分散相在PS中的分散相颗粒数量、分布和结晶度。研究结果表明,反应型增容剂可以起到很好的增容作用；由于使PLA的分子链由线形结构变为支化结构,使等温结晶过程中的结晶度降低；PLA作为分散相在PS/PLA共混物的发泡过程中能够起到异相成核剂的作用,使泡孔数量明显增加；PLA的结晶能够阻碍气体的扩散,通过调控PLA分散相的颗粒密度和PLA的结晶度,可以获得泡孔密度9.27×107个/cm3、平均泡孔直径66.64μm、表观密度0.045g/cm3的PS/PLA共混物泡沫材料。(4)采用溶解-聚合法制备了PS/交联聚丙烯酸甲酯(PMA)的共混物和PS/交联苯乙烯-丙烯酸甲酯共聚物[P(St-MA)]共混物,并研究了PS/交联PMA和PS/交联P(St-MA)共混物结构和性能对共混物泡沫形态结构的影响。结果表明,与St相比,MA单体与PS溶解的过程中存在相容性差的问题,浓度过大时,聚合时容易导致局部交联点密度过高,从而使分散性下降；使用St作为共聚单体,能够提高MA、偶氮二异丁腈(AIBN)在PS中分散的均匀程度,由于MA的活性较高,可以减少线形PS部分的降解,从而降低体系的凝胶率；MA的引入能提高体系的成核效率,PMA的表面张力高,其成核效率比交联PS中的交联点的成核效率高,并且MA的加入能够提高体系中CO2的溶解度,从而可获得泡孔密度高、泡孔尺寸大、表观密度低的PS发泡材料,MA含量9.6份时,PS/交联P(St-MA)共混物泡沫的泡孔密度为1.01×108个/cmm3,平均泡孔直径98μm,表观密度0.026g/cm3的低密度泡沫。
【关键词】：聚苯乙烯 共混物 超临界二氧化碳 相态结构 泡孔结构
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ328.4
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-7
• ABSTRACT7-17
• 符号说明17-18
• 第一章 绪论18-45
• 1.1 超临界CO_2发泡聚苯乙烯(PS)泡沫材料18-23
• 1.1.1 聚合物泡沫材料概述18-19
• 1.1.2 PS发泡材料19-20
• 1.1.3 CO_2作为发泡剂的优点和缺点20-22
• 1.1.4 CO_2发泡PS材料进展22-23
• 1.2 聚合物材料发泡过程23-31
• 1.2.1 均相溶液的形成25-26
• 1.2.2 气泡成核26-29
• 1.2.3 气泡增长29-30
• 1.2.4 固化定型30-31
• 1.3 聚合物共混物31-37
• 1.3.1 聚合物共混物概述31-33
• 1.3.2 聚合物共混物的相态结构33
• 1.3.3 聚合物共混物的制备方法33-34
• 1.3.4 影响聚合物共混物相态的因素34-37
• 1.3.4.1 熔融共混35-36
• 1.3.4.2 互穿聚合物网络(IPN)36-37
• 1.4 聚合物共混物发泡行为37-42
• 1.4.1 共混物中均相体系的形成37-38
• 1.4.2 共混物中的气泡成核38-39
• 1.4.3 共混物中的气泡增长39-41
• 1.4.4 共混物中的气泡稳定41-42
• 1.5 本文研究的内容和意义42-44
• 本章部分内容发表在44-45
• 第二章 PS/交联PS共混体系的泡孔结构调控45-64
• 2.1 引言45-46
• 2.2 实验部分46-50
• 2.2.1 实验原料46-47
• 2.2.2 实验设备47
• 2.2.3 样品制备47-48
• 2.2.4 性能测试与结构表征48-50
• 2.3 结果与讨论50-63
• 2.3.1 PS/交联PS共混物的结构表征50-53
• 2.3.2 PS/交联PS共混物的流变性能53-56
• 2.3.3 交联PS的交联结构对泡沫结构的影响56-59
• 2.3.4 PS的分子量对泡沫结构的影响59-63
• 2.4 本章小结63-64
• 第三章 PS/聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PETG)共混体系的相态结构及其泡孔结构调控64-93
• 3.1 引言64-65
• 3.2 实验部分65-66
• 3.2.1 实验原料65
• 3.2.2 实验设备65
• 3.2.3 样品制备65-66
• 3.2.4 性能测试与结构表征66
• 3.3 结果与讨论66-91
• 3.3.1 PS和PETG的剪切流变行为66-68
• 3.3.2 PETG含量对PS/PETG共混物相态和泡孔结构的影响68-75
• 3.3.3 加工工艺对PS/PETG共混物相态和泡孔结构的影响75-85
• 3.3.4 通过发泡工艺调控PS/PETG共混物的泡孔结构85-91
• 3.4 本章小结91-92
• 本章部分内容发表在92-93
• 第四章 PS/聚乳酸(PLA)共混体系的相态结构及其泡孔结构调控93-109
• 4.1 引言93
• 4.2 实验部分93-95
• 4.2.1 实验原料93-94
• 4.2.2 实验设备94
• 4.2.3 样品制备94
• 4.2.4 性能测试与结构表征94-95
• 4.3 结果与讨论95-108
• 4.3.1 PLA的结晶行为95-99
• 4.3.2 PS/PLA共混物的相态结构99-102
• 4.3.3 PS/PLA共混物的发泡行为102-108
• 4.4 本章小结108
• 本章部分内容发表在108-109
• 第五章 PS/交联聚丙烯酸甲酯(PMA)共混体系的泡孔结构调控109-129
• 5.1 引言109-110
• 5.2 实验部分110-111
• 5.2.1 实验原料110
• 5.2.2 实验设备110
• 5.2.3 样品制备110-111
• 5.2.4 性能测试与结构表征111
• 5.3 结果与讨论111-127
• 5.3.1 PS/交联PMA的结构与性能111-115
• 5.3.2 PS/交联PMA共混物的结构对其发泡行为的影响115-120
• 5.3.3 PS/交联P(St-MA)共混物的结构与性能120-124
• 5.3.4 PS/交联P(St-MA)共混物的结构对其发泡行为的影响124-127
• 5.4 本章小结127-129
• 第六章 全文总结129-131
• 参考文献131-140
• 致谢140-141
• 研究成果及发表的学术论文141-142
• 作者简介142
• 导师简介142-143
• 附件143-144

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本文编号：263036