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本研究以聚丙烯(PP)为基体,采用(原位)悬浮聚合制备出与PP具有良好复配性能的聚苯乙烯(PS)及聚苯乙烯/纳米氧化铈(CeO2)杂化材料(Hy-PS)。系统研究了PP/PS,PP/Hy-PS共混体系特性、纤维成形过程中分散相形态的演变机理及其在加工外场(温度场、应力场、速度场等)作用下有机分散相(PS)形态的变化与无机纳米颗粒(CeO2)分散性之间的相互影响,实现了对该共混体系成纤过程分散相形态的可控。成功制备含有原位纳米尺度梯度微纤PS相结构及良好纳米颗粒分散性PP复合纤维,从而有效地提高了PP纤维可染性及物理机械性能。通过研究得到如下结论:
研究发现经表面活性剂--硬脂酸(SA)修饰后,表面活性剂与CeO2纳米颗粒之间同时存在化学吸附和物理吸附,有效改善CeO2纳米颗粒表面特性及其在聚合单体苯乙烯(St)中的稳定性与分散性。CeO2纳米颗粒的表面修饰效果受表面活性剂种类及用量的控制存在最优的配比,实验结果表明Ce02纳米颗粒与SA物质的量比为4:1时效果最佳。
(原位)悬浮聚合制备PS及Hy-PS研究表明,引发剂用量显著影响着PS分子量及分子量分布。分散剂种类(聚乙烯醇(PVA)和聚甲基丙稀酸钠(PMA)及用量的复配可有效控制PS、Hy-PS颗粒粒径、粒径分布及Hy-PS纳米杂化颗粒中CeO2纳米颗粒的含量。随着CeO2纳米颗粒投料量的增加,Hy-PS颗粒中CeO2纳米颗粒的含量升高但相对包覆率减小,反应单体的转化率略有降低,并影响着材料分子量及热稳定性。CeO2纳米颗粒表面修饰与原位本体预聚-悬浮聚合方法对Hy-PS的特性也有着一定作用。通过控制上述反应条件,成功制备CeO2纳米颗粒含量为10wt%且纳米颗粒分散性良好的Hy-PS颗粒。
PP、PS、Hy-PS及其共混体系性能对比研究表明,PP/PS,PP/Hy-PS体系粘度比受温度及应力控制。在同一温度下Hy-PS的粘度较PS小,且两者的差距随着温度的升高和剪切速率的增加而不断降低。采用Cohen-Carrier短纤维回缩模型研究表明PP/Hy-PS的表观界面张力(γ)远比PP/PS小。共混体系结晶形态、结晶速度和结晶度受共混组分与含量的影响。CeO2纳米颗粒在经原位悬浮聚合法制备的Hy-PS体系中的分散性比在经直接共混法制备的PS/CeO2纳米复合材料中的分散性有了显著提高。与:PP/PS/CeO2多相体系相比,PP/Hy-PS共混体系中PS分散相平均粒径减小,粒径分布更为均匀。同时,PP/Hy-PS共混体系中CeO2纳米颗粒的分散性也较相同共混比例的PP/CeO2及PP/PS/CeO2体系有了明显改善,且CeO2纳米颗粒富集于PP与PS界面间。
PP/PS共混纤维成形过程中的相态演变研究表明,共混切片中PS分散相尺寸大小及分布标准差随共混比例的增加而增加,分散相平均尺寸达微米级且分布均匀。在相同的纺丝条件下,当PS含量大于4%,沿初生共混纤维径向,分散相由纳米尺度微纤状演变为亚微米尺度椭球状形态,形成两维(2-D)尺度梯度分布,且纤维表面存在PS分散相的富集。纤维后牵伸过程显著减小纤维直径,但对纤维横截面上内部PS分散尺寸减小不大但对其分布存在一定的影响。随着PS含量的提高,PP/PS共混牵伸纤维强度及断裂伸长不断增加,双折射率不断减小,沸水收缩率及回弹性不断增加。当共混体系中PS含量达8%时,纤维卷绕速率决定着PS分散相的微纤化及其在纤维横截面上的两维梯度尺寸分布,并显著影响表面形态与结晶结构的转变。而纺丝温度、环境冷却温度及纺丝泵供量等纤维成形条件对共混纤维表面形态及结晶结构影响相对较小。
PP/Hy-PS共混纤维成形过程中的相态演变研究表明,随着卷绕速率的增加,PP/Hy-PS共混纤维表面也发生类似与PP/PS纤维表面相结构的转变。CeO2颗粒在共混纤维表面分布均匀,单位面积的含量随卷绕速度的增加呈现先增加后减小的变化趋势。PP/Hy-PS共混纤维横截面相态随卷绕速度的增加仍出现PS分散相的两维尺度沿径向梯度分布,且共混体系中无机纳米颗粒在PP基体中的分散性也随之不断提高。该共混纤维PS分散相较相应条件下的PP/PS共混纤维中的相尺寸小。纺丝温度降低促进分散相对重力纤维表面相态的影响及Ce02颗粒的富集,较高的纺丝的温度将促进共混卷绕纤维表面出现CeO2颗粒团聚。热吹风冷却条件下,PP/Hy-PS共混卷绕纤维表面分散相的存在及CeO2颗粒的富集较无吹风的共混纤维明显。较低的泵供量促进了PS分散相及CeO2在重力纤维表面的富集,并在一定卷绕速率下引起纤维表面CeO2颗粒的团聚与相分离。
PP/PS及PP/Hy-PS复合纤维性能研究表明,PP/Hy-PS较PP/PS共混纤维强度高,而断裂伸长及纤度有所降低。PP/PS及PP/Hy-PS共混纤维染色性因分散染料结构的差异而不同,且在相同的染色条件下PP/Hy-PS纤维具有更好的可染性,上染率、K/S值及C*都明显提高。