微孔的存在对微发泡聚烯烃材料力学性能的影响

第30卷第3期贵州师范大学学报(自然科学版)Vol 30. No. 32012年5月Journal of Guizhou normal University( Natural SciencesMay 2012文章编号:1004-5570(2012)03-0084-05微孔的存在对微发泡聚烯烃材料力学性能的影响龚维2,李宏,何颖,张纯2,何力2(1.贵州师范大学村料与建筑学院,贵州贵阳550014;2.国家复合改性聚合物材料工程技术研究中心,贵州贵阳550014)摘要:选用典型聚合物材料PP(T30S)、PP(K9026)、HDPE为研究对象,在二次开模条件下制备微发泡聚烯烃材料;通过建立理论经验公式,分析了微孔存在时,材料本征特性对微发泡聚烯烃材料力学性能的影响规律。结果表明:微孔引入材料中后比刚度增加,拉伸强度出现不同程度的降低;本征拉伸强度越高的材料,引入微孔后比刚度值增加越大,而拉伸强度下降比例越大;本征拉伸强度越低的材料,引人微孔以后比刚度值增加越小,拉伸强度下降比例越小;经验公式的预测结果能很好的反映微发泡聚合物材料力学性能的变化规律关键词:聚烯烃;拉伸强度;微发泡;本征特性中图分类号:TQ325.14文献标识码:AEffect of microcell on mechanical properties for foam polypropyleneGONG Wei , LI Hong, HE Ying, ZHANG Chun, HE Li(1. School of Material and Building Engineering, Guizhou Normal University, GuiyangGuizhou 550014, China; 2. National Engineering Research Center for Compoundingand Modification Polymeric Materials, Guiyang, Guizhou 550014, China)Abstract By taking a typical polymer materials PP T30S), PP(K9026), HDPE as the research objectthe microcellular foam Polyolefin was made under the condition of twice-open mold. Physical andmathematical models were established, effect law of Microcell on mechanical properties in Foam Polylefin materials was analyzed. The results showed that tensile strength of microcellular foam Polyolefinshowed the different proportion reduce, and specific stiffness get produce. The bigger intrinsic tensilestrength, the larger the rate of decreased of tensile strength in microcellular foam Polyolefin, the smaller intrinsic tensile strength, the smaller the rate of decreased of tensile strength in microcellular foamPolyolefin. The prediction results of empirical formula can good reflect change law of tensile strength inmicrocellular foam PolyolefinKey words: Polyolefin; tensile strength; microcellular foam; original characteristi收稿日期:2012-01-20中国煤化工基金项目:贵州省工业攻关项目黔科合GY字(2011)3011CNMHG作者简介:龚维(1974-),男,副教授,博土主要研究方向:高分子结构与性能。*通讯作者:何力,男,教授,博土生导师,主要研究方向:高分子结构与性能,E-ml:Prclihel@163.com第3期龚维,李宏,何颖,张纯,何力:微孔的存在对微发泡聚烯烃材料力学性能的影响微发泡材料具有质轻、比强度高、隔热、隔音5的配方,运用二次开模注塑成型方法于CJ80m3v好、抗震能力强等优点。但泡孔尺寸较大,受力时注射机上制备标准的哑铃型发泡测试试样。其注常常成为泡体裂纹的发源地,降低材料的力学性塑工艺为:温度170℃,注塑速度95%,注塑压力能13。因此,在降低材料成本的基础上,提高微45Mpa,注塑时间35s发泡材料的综合力学性能普便受到研究者的关注。1.3测试与表征Zhang等结合前人提出的各种发泡材料模型以13.1扫描电子显微镜(SEM)观察及经验公式,研究了高密度聚乙烯泡沫的拉伸性能将微发泡样品在液氮温度下深冷3h后,取出与结构之间的关系。发现发泡聚乙烯随着材料密迅速冲断断口表面喷金后在KYKY-2800B扫描度的增加拉伸模量递增,其关系接近二次幂关系。电子显微镜下观察并拍照。发泡倍率和泡孔直径Doroudiani1研究了相同发泡材料密度、不同泡孔分别通过公式(1)、(2)计算:大小发泡聚苯乙烯的相对拉伸强度与泡孔大小之间的关系。结果表明:相对拉伸强度对发泡材料的泡孔大小不敏感随着泡孔大小的增大,相对拉伸D=∑D(2)强度略有减小。两个结果进行比较,对于发泡聚苯乙烯体系,影响拉伸强度的最主要因素是发泡材料式中:V-发泡材料的发泡倍率;p-发泡样品的密度(g/cm3);p-未发泡样品的密度(g/cm3);的密度。MarA等人通过研究高分子材料中的D一泡孔的平均尺寸(μm)添加剂发现,当添加剂的尺寸在微米级,且小于高1.3.2力学性能的测试分子材料中的临界孔隙尺寸时,能有效的提高材料将标准哑铃型芯层发泡聚丙烯复合材料和未的力学性能微米级泡孔引入基材也能产生同样的发泡聚丙烯复合材料样条在恒温箱中(温度23℃)效果,从而达到既降低成本又能提高性能的双重放置24h,在WDW-10c型微机控制电子万能实效果。但是,未见材料的本征特性对微发泡聚合物验机上进行力学性能测试测试温度23℃,拉伸测材料拉伸性能影响的研究报道。试的夹头移动速度为50mm/min,弯曲试验夹头移本文以填充增强理论为基础,从材料的本征特动速度为2mm/min,每组试样测试5次,拉伸和弯性方面,分析了微孔存在时本征特性对微发泡聚烯曲强度结果分别取5根试样的平均值。烃材料微观结构和力学性能的影响机理,并通过建1.3.2密度的测试立经验公式进行预测,其预测结果与宏观性能有很密度按照GB1033-86的方法测定。将标准好的重现性,为其他聚合物材料的发泡提供理论指的哑铃型芯层发泡样条于恒温箱中在23℃条件下导保温24h,运用去离子水于电子天平上测试其表观密度;每次测试前用温度计量取去离子水温度,以实验部分减小系统误差;每组样条测试5~8根,取平均值即可。1.1原料与助剂P(30s)、PP(K906),工业级,北京燕山石2结果与讨论化股份有限公司;HDPE(5200B),中国石油化工股份有限公司;发泡母粒、助剂母粒,自制;马来2.1微孔对聚烯烃材料拉伸强度的影响酸酐接枝PP(MPP),宁波能之光新材料科技有限图1为泡孔对聚合物材料拉伸强度的影响;图公司2是典型三种微孔发泡材料的泡孔结构图1.2样品制备从图1可V中国煤化工料中其拉1.2.1微发泡PP材料的制备伸强度总是下CNMHG发泡材料将PP(T30S)、PP(K9026)、HDPE(520B)三相比,发泡材料的有效承载面积减小,因而拉伸强种材料,分别与发泡母粒、发泡助剂母粒按85:10:度整体下降;对聚丙烯(T30S),未发泡材料拉伸强中国煤化工CNMHG第3期龚维,李宏,何颖,张纯,何力:微孔的存在对微发泡聚烯烃材料力学性能的影响(a未发泡材料;b发泡材料)图5微发泡材料拉伸过程示意图PLOSHDPEFig 5 Diagrammatic sketch of cracks inmicrocellular foam Polyolefin materials图6微发泡聚烯烃材料的比刚度变化图5是发泡聚烯烃材料的拉伸示意图,从图Fig 6 Specific stiffness change of microcellular可知,对未发泡的连续介质聚合物材料,设原始拉foam Polyolefin materials伸强度为∞;对于图b材料中引入微孔后由于有后其比刚度比未发泡材料的高;对于聚丙烯效承载面积减小将导致拉伸强度下降,其数值设为(T30s),未发泡材料比刚度为42.91,而发泡材料因此,微孔发泡聚合物材料的拉伸强度可表述的比刚度则增大到49.87,净增加达6.69;对高密为度聚乙烯,未发泡材料比刚度为20.97,而发泡材0-G1+o2(3)料的比刚度则增大到25.16,净增加达4.19;对聚根据公式(3),当a2>a1时,微孔对拉伸强度烯(K9026)未发泡材料比刚度为16.21,而发泡的贡献能补偿有效承载面积降低导致强度损失,发材料的比刚度则增大到19.21,净增加达到3。因泡后材料的拉伸强度提高;σ2<σ时,微孔发泡此本征强度越高的材料发泡后其比刚度净增加将会导致材料拉伸强度的降低。值越大。主要是因为聚丙烯(T30S)和高密度聚乙对PP(T30S)本征拉伸强度o较大为烯具有较好的发泡质量泡孔尺寸较小(图2所326MPa,引入微孔后发泡倍率为15%,则有效承示),大量小的泡孔能有效的起到抗弯曲变形的能载面积导致拉伸强度的降低数值为32.6×15%=力;同时还与分子量相互缠结的程度有关,缠结程474MPa,而微孔能提高的拉伸强度仅为.MPa;度越高导致材料的弯曲强度越大;在三种讨论的聚因此引入微孔后拉伸强度降低最多。而HDPE聚烯烃材料中聚丙烯(T30S)分子量相互缠结的程合物材料本征拉伸强度a为2.8MPa,有效承载度最高,弯曲强度最大;高密度聚乙烯次之;聚丙烯面积导致拉伸强度的降低数值为228×15%=(K9026)的弯曲强度最小。而三种材料发泡倍率3.42MPa,而微孔能提高的拉伸强度仅为基本相等的条件下,由于以上两方面的原因将会导1.0MPa9;因此,引入微孔后拉伸强度降低比例次致图6中发泡材料比刚度的变化规律。之。PP(K9026)由于在三种材料中本征拉伸强度o最小为168M,因而a1相应较小为252MPa;3结论但是比微孔提高的拉伸强度σ2要大,而且PP(K9026)得的发泡质量较差(见图2所示),泡孔尺微孔引入PP(T30S)、HDE、PP(K9026)材料寸较大,微孔对拉伸强度的贡献值a2只有中,同未发泡材料比较比刚度增加拉伸强度出现0.6MPa,因此,微孔引人后其拉伸强度出现降低。不同程度的降低;本征拉伸强度越高的材料,引人所以,通过公式(3)的讨论可知,本征拉伸强度越微孔以后比刚度净增加值越大拉伸强度下降比例大的材料引入微孔后强度下降比例越大,更好预越大;本征拉V山中国煤化工数孔以后比测到图1中拉伸强度的变化规律。刚度净增加值CNMHG越小,同时22微孔对聚烯烃材料比刚度的影响与材料的发泡质量密切相关;经验公式的预测结果从图6中可以看出,不论是哪一类材料,发泡能很好的反映微发泡聚合物材料拉伸强度的变化贵州师范大学学报(自然科学版)第30卷规律,为发泡聚合物材料的力学行为和实际生产提5] Y L Zhang, D Rodrigue,AAit-Kad. High-density poly供理论指导mer Science,2003,90:2120-2129参考文献:[6]MARC A, JACOBS. Foam processing of poly (ethylene-co-[1]R Dubios, S Karande. The use of ethylene/styrene inter-vin acetate)rubberoxidepolymers in crosslinked foams for the footwear industry[J]. Polymer,2004,45(2):7539-7546[J]. Journal of Cellular Plastics, 2002, 38(3): 119-161[7]龚维,何力,高家诫,于杰,何颖.聚丙烯微孔发泡材料[2]K Taki, T Murakami, M Ohshima. Experimental studies on发泡助剂的研究[J].重庆大学学报:自然科学版he effects of pressure release rate on number density of2009,32(2):181-186bubbles and bubble growth in a polymeric foaming process[8] W Gong, J C Gao, M Jiang, J Yu, L He Modeling and[J]. Chemical Engineering Science, 2008, 63(14 ): 2643Characterization of the relationship between Cell Size and2655Mechanical Behavior of Microcellular PP/Mica Composites3]L Chen, K Blizard, R Strsff, etal. Effect of filler size on cell[J]. 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