叶片挤出机加工PBS基生物可降解材料的结构与性能研究

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传统以螺杆为核心的聚合物加工成型过程受剪切形变支配,无螺杆叶片挤出机实现了高分子材料受拉伸形变支配的成型加工过程。与传统的螺杆挤出机相比,叶片挤出机具有分散混合效率高、加工能耗低、设备体积小、热机械历程短和物料适应性广等优点。PBS具有完全生物可降解性、优异的加工性能和机械性能,但同时也存在着热稳定性差、结晶速度慢、相对结晶度低、熔体强度低、相对分子量较低、缺口冲击强度低等问题。传统的螺杆塑化加工设备为使多相多组分复合材料的分散混合效果更好,往往采用提高剪切速率来增强其分散混合能力,然而对于生物可降解材料来说,强剪切应力区的存在会导致其在加工过程的强烈降解,进而影响其综合性能。因此,本论文采用拉伸流场支配的叶片塑化挤出机加工PBS基生物可降解复合材料,在短热机械历程的条件下避免复合体系的降解,同时实现复合体系的高效分散混合,进而实现PBS基材料性能的增强。利用拉伸形变支配的叶片挤出机加工制备了生物可降解PBS/TiO2两相复合体系及PBS/PLA/CSW(硫酸钙晶须)三相复合体系。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)、动态热机械分析(DMA)、力学性能测试和紫外透光率等手段来研究不同填充物含量对于复合材料的微观结构、晶型结构、热性能、动态粘弹性、机械性能和紫外光阻隔性能的影响。对于PBS/TiO2两相填充体系,研究结果表明:纳米TiO2的加入不改变PBS复合材料的晶体结构,但是显著的改善了PBS/TiO2复合材料的热稳定性、拉伸模量、弯曲模量和弯曲强度,并且随着TiO2含量的增加,PBS复合材料对紫外光的阻抗性有明显提高。对于PBS/PLA/CSW三相共混体系,研究结果显示:当PBS含量为50%时,CSW优先分布在PBS相中,位于PLA中的CSW较少;DSC测量和POM观测表明,CSW在PLA/PBS共混物中起异相成核作用;PBS的加入明显有利于PLA的结晶和显著提高了PLA/PBS/CSW复合材料的热稳定性;随着PBS含量的增加,PLA/PBS/CSW复合材料的拉伸强度少量降低,但复合材料的断裂伸长率显著增加。实验结果证明,拉伸形变支配的叶片塑化挤出机在有效降低物料降解的基础上,可实现复合体系的高效混合,对于复合材料的增强增韧有显著效果,这些研究为基于拉伸流变的高分子材料叶片塑化输运理论及设备的推广提供了重要的理论和实验依据。
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