硅藻土填充聚丙烯复合材料流变行为及机理的研究

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聚合物熔体具有不同于一般流体的性质,表现出特殊的流变行为。填充改性是目前聚合物复合材料最重要的制备方法之一。研究填充聚合物体系熔体的流变行为,如其流动行为、弹性行为等,对于指导其加工成型工艺及设备设计与优化具有重要意义。 硅藻土稳定性好,耐酸耐热,密度,松散密度小,吸附性,分散性,悬浮性好,比表面积较大,吸油值较高等,这些性质均为填料所应具备的。作为具有良好发展前景的硅藻土填充聚合物复合材料,其在工程应用上的应用日渐广泛。 本工作以硅藻土填充PP复合材料为研究对象。制备了PP/硅藻土复合材料及试样,并应用熔体流动速率仪及其附属装置对其流动及弹性特性参数进行了测定。研究了无机粒子硅藻土填充PP复合材料流变行为及其机理,如熔体的流动行为、弹性行为及其影响因素,包括填充粒子的形状、粒径、浓度以及口模直径等。 通过研究发现,PP/硅藻土复合体系的流动曲线在双坐标系中呈线性,说明剪切应力(τ<,w>)与剪切速率(γ<,a>)符合幂律关系,且流动曲线没有明显波动,说明熔体粘度起伏小,硅藻土分散较均匀。复合体系的体积流动速率(MVR)随着载荷的升高和剪切速率的增大而增大,其剪切粘度随着剪切速率的增大而降低,存在明显的剪切变稀现象。另外,随着硅藻土体积分数(φ<,f>)的增大及其直径的减小,体系的MVR减小,剪切粘度非线性增大,随着γ<,a>的增大,体系剪切粘度非线性减小。剪切粘度对温度的依赖性符合Arrhenius定律。 据此得出PP/硅藻土复合体系的剪切粘度可描述为: 此外,随着口模直径的增加,流道的收缩比减小,令入口收敛流动减弱,入口压力损失减小,总的压力损失也随之下降,熔体体积流动速率有明显提高。体系的流动速率呈非线性增大,对于圆截面流道,有MVR ∝ d<2>。 随着τ<,w>或γ<,a>的增大,复合体系的挤出胀大比(B)增大。随着温度的上升,PP/硅藻土体系的B减小,且B是温度t的线性函数。B随φ<,f>的增大而非线性降低,随着硅藻土直径(d)的增大,B非线性增大。 据此给出PP/硅藻土复合体系挤出胀大比可表述为: 此外,当口模长径比较小,熔体在口型中停留时间短时,入口弹性效应是产生挤出胀大的主要成因,挤出胀大比往往较大。随着口模直径的增大,B非线性增大。随着口模长径比的增大,B非线性减小。 最后本工作还首次用质量的分布方法评估了硅藻土颗粒在PP基体中的分散。结果显示,随着填充粒子体积分数的减小和直径的增大,温度和载荷的提高以及口模直径的增大,三个体系的分散越来越好。
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