• <tr id="yyy80"></tr>
  • <sup id="yyy80"></sup>
  • <tfoot id="yyy80"><noscript id="yyy80"></noscript></tfoot>
  • 99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

    碳納米管含量對碳納米管/聚丙烯復(fù)合材料性能及微結(jié)構(gòu)制品的影響

    2021-08-25 06:54:08根,辛
    關(guān)鍵詞:微結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力復(fù)數(shù)

    劉 根,辛 勇

    (南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江西 南昌 330031)

    1 前 言

    聚丙烯(PP)作為一種通用高分子聚合物,無毒無味,生產(chǎn)成本低,具有優(yōu)異的耐腐蝕性,加工性能好,可用于制造各類復(fù)雜塑料組件,在某些領(lǐng)域還可以取代金屬和陶瓷等傳統(tǒng)材料。但在薄壁微結(jié)構(gòu)制品的生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),其強(qiáng)度、韌性等方面往往滿足不了要求。碳納米管(CNTs)自從1991年被LIJIMA發(fā)現(xiàn)以來[1],由于其具備優(yōu)異的力學(xué)性能、電學(xué)性能和磁學(xué)性能,受到廣泛關(guān)注。前人的實驗研究表明,將CNTs添加到聚合物中可以顯著提高聚合物的強(qiáng)度、韌性和導(dǎo)電性[2],還可以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]。因此,許多學(xué)者在聚合物基體和CNTs組成的納米復(fù)合材料領(lǐng)域開展了深入的研究[4-5]。

    隨著近年來產(chǎn)品微型化的趨勢,微系統(tǒng)技術(shù)的迅速發(fā)展為聚合物納米復(fù)合材料開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是以CNTs為增強(qiáng)體的聚合物基復(fù)合材料是制備微尺度器件的理想材料[6]。CNTs對聚合物材料的增強(qiáng)程度主要依賴于CNTs在聚合物基質(zhì)中的分散程度,而CNTs的分散程度與CNTs的含量、取向以及加工條件等[7-9]因素有關(guān)。因此,通過改善CNTs在聚合物中的分散性問題,對于將CNTs/PP復(fù)合材料成功應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)制品生產(chǎn)具有重要意義。很多學(xué)者注重克服CNTs團(tuán)聚問題的研究[10-12]。AL-SALEH等[13]采用溶鑄法制備了CNTs填充聚碳酸酯/聚苯乙烯(PC/PS)的共混物,這種方式制備的量少,而且溶劑對環(huán)境的影響不利于工業(yè)化生產(chǎn)。SUMITOMO等[14]對比了超聲輻照和機(jī)械攪拌的分散效率,發(fā)現(xiàn)超聲輻照的分散速率高于機(jī)械攪拌,但會導(dǎo)致納米材料的缺陷或結(jié)構(gòu)變性,進(jìn)而使性能降低。還有學(xué)者將合成聚合物嫁接到納米材料上[15],這種方式提供了一種將納米材料填充到聚合物的思路,但是否適用于CNTs,尚需相關(guān)實驗驗證。

    基于CNTs/PP復(fù)合材料在微結(jié)構(gòu)制品中的應(yīng)用,考慮到工程生產(chǎn)的成本及環(huán)境問題,本研究采用稀釋母料方式以改善CNTs的分散問題。通過研究復(fù)合材料形貌、結(jié)晶行為和力學(xué)性能以及通過流變分析預(yù)測CNTs/PP復(fù)合材料的加工性能,明確CNTs對PP的增強(qiáng)機(jī)理,為微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品實際加工過程提供理論指導(dǎo)。

    2 實 驗

    2.1 實驗原料

    PP型號為T30S,熔融流動指數(shù)3.0 g/10 min,中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司生產(chǎn)。CNTs型號為TNIMI,中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司生產(chǎn),純度>95%,長度為10~30 μm,外徑為5~15 nm,比表面積SSA為220~300 m2/g。

    2.2 實驗過程

    準(zhǔn)備CNTs和干燥后的PP,兩者質(zhì)量比為1∶4,再加入2 g擴(kuò)散油進(jìn)行初步混合。然后在同向雙螺桿擠出機(jī)(SHJ-35)上進(jìn)行混合造粒,配制出CNTs含量為20 wt%的CNTs/PP復(fù)合材料母粒。雙螺桿擠出機(jī)參數(shù):螺桿直徑35.6 mm,喂料轉(zhuǎn)速13 r/s,熔體溫度和壓力分別為190 ℃和2.10 MPa。將母粒在80 ℃干燥4 h,然后對母料進(jìn)行稀釋,將PP原料和CNTs/PP母料按照一定比例,相同工藝擠出造粒,分別制備CNTs含量為1、2、3和5 wt%的復(fù)合材料。將造粒后的復(fù)合材料顆粒在80 ℃干燥4 h,然后在Demag Haitian ET50注塑機(jī)上注塑成型,熔體溫度為200 ℃,注射速度為20 mm/s,注射壓力為70 Bar,保壓壓力為50 Bar。采用實驗室專門設(shè)計的模具同時加工出啞鈴型樣條、V型缺口沖擊試樣。將1 wt%CNTs的復(fù)合材料在日本新泄注塑機(jī)(MD1005)上加工出具有微結(jié)構(gòu)特征的面板,凹槽薄壁厚度為0.3 mm,如圖1所示。為了保證流體充滿微小型腔,經(jīng)優(yōu)化工藝參數(shù),最終設(shè)定熔體溫度為240 ℃,模具溫度為20 ℃,注射速度為160 mm/s,注射時間0.64 s,冷卻時間8 s。

    圖1 微結(jié)構(gòu)制品主視圖和左視圖

    2.3 測試與表征

    采用UH4304GD型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)測定復(fù)材啞鈴試樣拉伸性能。單軸拉伸速度為50 mm/min。采用ISOC1001型懸臂梁沖擊試驗機(jī)測定缺口試樣的沖擊性能。采用FEI Quanta200F型環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察試樣形貌,分辨率為3.5 nm,先將沖擊實驗試樣的斷面進(jìn)行噴金處理,在30 kV加速電壓下觀察CNTs/PP納米復(fù)合材料中CNTs的分散狀態(tài)。采用TD-3500型廣角X射線衍射儀(WAXD)測定樣品的結(jié)晶形態(tài),掃描角度范圍設(shè)定為10~35°,掃描速度為2(°)/min,掃描方式為連續(xù)掃描,驅(qū)動方式為雙軸聯(lián)動,X射線管壓為30 kV,管流為20 mA。采用HAAKE-MARS60旋轉(zhuǎn)流變儀測試復(fù)材溶體的流變性能,測試溫度為200 ℃,剪切速率范圍為0.1~20 s-1,剪切持續(xù)時間60 s。

    3 結(jié)果與討論

    3.1 CNTs/PP復(fù)材的形貌觀察

    圖2為填充了1wt%、3wt%和5wt% CNTs的CNTs/PP復(fù)合材料的沖擊實驗斷口形貌圖。其中,CNTs及其團(tuán)聚物在圖中顯示為明亮部分。從圖2(a)中可觀察到1wt% CNTs能均勻地分散在PP基體中,并未出現(xiàn)明顯團(tuán)聚體,CNTs和PP界面結(jié)合得較好。隨著CNTs含量的升高,CNTs與PP之間的結(jié)合力下降,雖有部分CNTs在基體中被拔出,但其在PP基體中的分散也相對均勻,如圖2(b)所示,由此可以證實采用稀釋母料來優(yōu)化CNTs的分散是可行的。在注塑成型過程中,復(fù)雜的剪切流場會影響CNTs之間的相互作用。當(dāng)CNTs含量較低時,在剪切流場作用下CNTs相互之間不容易發(fā)生團(tuán)聚,可以形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),CNTs和PP之間的界面粘附性也較好。但當(dāng)CNTs含量增加到5 wt%時,CNTs在PP基體中出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚(見圖2(c))。其原因在于,與剪切流場使CNTs分散性得到改善相比,CNTs含量的增加對分散性的影響更大。在PP基體中形成的CNTs團(tuán)聚體會影響兩者之間所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并削弱它們之間的界面相互作用。當(dāng)復(fù)合材料受力時,局部還會引起應(yīng)力集中,削弱CNTs對負(fù)載的承載能力,從而影響CNTs對復(fù)合材料的增強(qiáng)效果。

    圖2 不同CNTs含量的CNTs/PP復(fù)合材料沖擊試樣斷口的SEM圖像 (a)1 wt%;(b)3 wt%;(c)5 wt%

    3.2 CNTs/PP復(fù)材的結(jié)晶性能分析

    將CNTs填充到聚丙烯中,也會影響其結(jié)晶構(gòu)型。圖3為不同含量CNTs的復(fù)合材料的WAXD衍射圖譜。在2θ為14.0°,16.9°,18.4°,21.1°和21.9°時,分別對應(yīng)晶面(110),(040),(130),(111)和(041)處出現(xiàn)衍射峰,證實了在PP中α晶的形成。同時還觀察到2θ為16.1 °時,在(300)晶面衍射峰處出現(xiàn)了β晶[16],其峰值隨著CNTs含量的升高逐漸降低。由表1可知,CNTs含量由0增加到5 wt%時,衍射峰強(qiáng)度I(300)由1524.93 降低到641.75 a.u.,降低了57.9%。其原因是在剪切流場作用下,一些分子鏈保持取向,會導(dǎo)致沿熔體流動方向形成取向點核,從而導(dǎo)致球晶結(jié)構(gòu)的初始發(fā)展定向,在一定的溫度條件下,會誘導(dǎo)α晶轉(zhuǎn)變成β晶。加入CNTs后,CNTs起到了異相形核的作用,促進(jìn)α晶核的形成。過多的α晶核會導(dǎo)致α晶的大量產(chǎn)生,從而抑制β晶的形成。此外,還可以觀察到在(040)晶面處,結(jié)晶峰隨著CNTs含量的提高而逐漸降低。當(dāng)CNTs含量為1 wt%時,對衍射峰強(qiáng)度的抑制程度相對明顯,I(040)降低了28.8%,說明CNTs會削弱(040)晶面方向的取向。隨著CNTs含量的進(jìn)一步增加,在(040)處的結(jié)晶峰衍射強(qiáng)度趨于穩(wěn)定,表明過多的CNTs含量對PP結(jié)晶并未有進(jìn)一步的影響,從圖中并未觀察到新的結(jié)晶峰出現(xiàn),表明CNTs并沒有改變PP的晶型結(jié)構(gòu)[17]。

    圖3 不同CNTs含量的CNTs/PP復(fù)合材料的WAXD圖譜

    在復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)制品的生產(chǎn)中,結(jié)晶度對產(chǎn)品性能的影響非常重要。結(jié)晶度計算公式是通過對WAXD衍射圖譜的強(qiáng)度曲線積分?jǐn)M合得到,求解公式如下:

    (1)

    式中,XC為結(jié)晶度,結(jié)晶峰總面積為ΣAC,無定形散射峰總面積為ΣAa。

    利用PeakFit軟件處理WAXD強(qiáng)度曲線,扣除基線并對圖像進(jìn)行平滑處理,采用二階微分對衍射峰進(jìn)行誤差擬合直至收斂,得到特征結(jié)晶峰和無定型峰的面積后用式(1)計算出結(jié)晶度,結(jié)果見表1??梢钥闯鲭SCNTs含量的提高,結(jié)晶度呈下降趨勢。這可能與模具快速冷卻和注射成型過程中產(chǎn)生的復(fù)雜剪切流場有關(guān)[18]。此外,CNTs的存在會阻礙分子鏈的運動,使得熔體流動性能下降,分子鏈擴(kuò)散砌入晶格所需的活化能提高,排列在晶格里的分子鏈減少,導(dǎo)致結(jié)晶度降低。

    表1 WAXD數(shù)據(jù)中樣品的峰值強(qiáng)度和結(jié)晶度

    3.3 CNTs/PP復(fù)材的力學(xué)性能分析

    圖4為CNTs/PP復(fù)合材料的彈性模量和拉伸強(qiáng)度圖??梢钥闯雠c純PP相比,復(fù)合材料的彈性模量明顯提高。隨著CNTs含量提高到5%,復(fù)合材料彈性模量可以提高近43%,達(dá)到1389 MPa;復(fù)合材料強(qiáng)度達(dá)到24 MPa,提高26%左右。其原因如下:首先,這與CNTs在PP基體中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及兩者之間的界面有關(guān)。CNTs具有超高的非均相成核能力,有利于PP在其表面結(jié)晶,晶核數(shù)量也隨之增多,使得兩者之間具有較強(qiáng)的界面粘附性。在PP基體中分散較好的CNTs會形成較好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可以提高與分子鏈之間的相互作用,再加上CNTs對晶界的釘扎作用,使分子鏈不易發(fā)生滑移,從而可以承受更大的應(yīng)力,提高了復(fù)合材料的彈性模量和拉伸強(qiáng)度。其次,在復(fù)合材料受載過程中,雖然PP是主要的承載體,但載荷會通過兩者之間的界面?zhèn)鬟f到CNTs,從而分擔(dān)了整體的載荷,提高了復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度。CNTs含量越多,其承載的能力越大,復(fù)合材料的強(qiáng)度也越高。但當(dāng)CNTs的含量增加時,彈性模量和拉伸強(qiáng)度的增強(qiáng)幅度漸趨于平緩。這是由于CNTs的分散效果變差,削弱了其對載荷的承載能力;另一方面在于過多CNTs會阻礙PP分子鏈的運動,使得分子鏈重排困難,最終限制了其對PP的增強(qiáng)效果。

    圖4 不同CNTs含量的CNTs/PP復(fù)合材料的彈性模量和拉伸強(qiáng)度

    沖擊性能是影響復(fù)合材料應(yīng)用的主要因素之一。不同CNTs含量復(fù)合材料缺口試樣的沖擊性能如圖5所示。由圖可見,沖擊強(qiáng)度隨CNTs含量的升高呈先增大后減小趨勢。1 wt% CNTs的復(fù)合材料比純PP沖擊性能提高了近25%。由于加工得到的沖擊試樣在缺口處會出現(xiàn)應(yīng)力集中,低含量的CNTs會和基質(zhì)之間產(chǎn)生橋接,可以吸收部分的沖擊能量。1 wt% CNTs在基體中的分散相對較好,其界面粘附和負(fù)載轉(zhuǎn)移效果相對較佳,可以承受更大的剪切應(yīng)力,所以沖擊強(qiáng)度具有相對較高的提升。但隨著CNTs含量的升高,CNTs的分散變差,局部的團(tuán)聚會增強(qiáng)應(yīng)力集中程度,對沖擊能量的吸收變?nèi)?,因此其沖擊強(qiáng)度又會有所下降。此外,在剪切流場下誘導(dǎo)產(chǎn)生的β晶是一個熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)相,可以提高材料的沖擊性能[19]。由上一節(jié)對WAXD結(jié)果分析可知,隨著CNTs含量的提高,會抑制β晶的產(chǎn)生,從而削弱了對復(fù)合材料的增強(qiáng)效果。

    圖5 不同CNTs含量的CNTs/PP復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度

    3.4 CNTs/PP復(fù)材的微結(jié)構(gòu)成形性能

    為了預(yù)測CNTs/PP復(fù)合材料用于微結(jié)構(gòu)成形的加工性能,我們對此進(jìn)行了流變實驗。圖6為不同含量CNTs復(fù)合材料的復(fù)數(shù)黏度隨剪切速率的變化曲線??梢钥闯?,復(fù)數(shù)黏度隨剪切速率的增大逐漸減小,呈現(xiàn)典型的剪切變稀特征。剪切速率低于5 s-1時,復(fù)數(shù)黏度顯著降低。這主要是因為在剪切作用下,PP分子鏈內(nèi)的纏結(jié)逐漸打開,纏結(jié)密度降低,沿流動方向開始定向排列,相互的牽制作用減弱,導(dǎo)致復(fù)數(shù)黏度降低。此外,純PP表現(xiàn)出很小的頻率依賴性,復(fù)數(shù)黏度也隨著CNTs含量的升高逐漸變大。CNTs的影響主要在低頻率處,由于存在剪切變稀,隨著頻率升高,CNTs的影響逐漸降低[20]。當(dāng)剪切速率為0.1 s-1,CNTs含量為5 wt%時,復(fù)合材料的復(fù)數(shù)黏度為純PP復(fù)數(shù)黏度的近10倍。CNTs會限制PP分子鏈運動,尤其是當(dāng)CNTs含量較高(5 wt%)時,在基體內(nèi)形成的團(tuán)聚體對分子鏈的限制更為顯著。圖7為不同剪切速率下復(fù)數(shù)黏度與CNTs含量的關(guān)系圖??梢钥闯黾尤? wt%CNTs時,在不同的剪切速率下,復(fù)數(shù)黏度上升都較為顯著,CNTs含量從1 wt%增加到5 wt%時,整體的復(fù)數(shù)黏度增長緩慢。當(dāng)剪切速率為0.1 s-1時,復(fù)數(shù)黏度的上升幅度相較其它剪切速率更大??梢钥闯觯羟兴俾试礁?,復(fù)數(shù)黏度對CNTs含量的依賴性越低。通過增大剪切速率,有利于分子鏈運動,從而保障加工成型制品的尺寸穩(wěn)定性。圖8為不同含量CNTs復(fù)合材料的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線。在純PP中添加CNTs后,限制了分子鏈的移動和定向排列,剪切應(yīng)力明顯提高,且隨剪切速率的增大呈同步變化趨勢。剪切速率低于5 s-1時,剪切應(yīng)力增長與剪切速率的變化呈近似線性相關(guān)。當(dāng)剪切速率增大到一定程度,剪切應(yīng)力開始出現(xiàn)下降趨勢。這是由于在高剪切速率下,復(fù)合材料的分子鏈在應(yīng)力作用下重新排列,形成較大程度的定向結(jié)構(gòu),分子鏈之間的相互作用力減小,導(dǎo)致剪切應(yīng)力下降。

    圖6 CNTs/PP復(fù)合材料的黏度隨剪切速率的變化曲線

    圖7 不同剪切速率下復(fù)合材料的復(fù)數(shù)粘度與CNTs含量之間的關(guān)系

    圖8 CNTs/PP復(fù)合材料剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線

    通過上述對CNTs/PP復(fù)合材料熔體的流變性能分析,CNTs含量越高越不利于熔融流體填充微結(jié)構(gòu)模具型腔,會造成充型不暢,很難實現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)高質(zhì)量的充型效果,影響制品合格率。雖然提高注射速率、提高熔體溫度等因素會有利于流體填充型腔,但對注塑機(jī)的技術(shù)參數(shù)會有更嚴(yán)格的要求,從而提高生產(chǎn)成本。通過實驗測試發(fā)現(xiàn),當(dāng)CNTs含量高于3 wt%時,微結(jié)構(gòu)就很難成形。因此選擇了1 wt%和2 wt% CNTs含量的復(fù)合材料用于微結(jié)構(gòu)成型加工。一方面可以滿足在強(qiáng)度方面的需求,另外還可以節(jié)約成本,更具經(jīng)濟(jì)效益。

    5 結(jié) 論

    1.在CNTs/PP復(fù)合材料中,CNTs含量低于3 wt%時,在剪切流場下CNTs相互之間不容易發(fā)生團(tuán)聚,在PP基體中分散得相對均勻??梢钥闯?,采用稀釋母粒制備CNTs/PP復(fù)合材料用于成型加工制品是一種較為可行的方法。

    2.聚丙烯的主要結(jié)晶類型是α晶,在剪切流場作用下,在(300)晶面衍射峰處會出現(xiàn)β晶。而CNTs的異相成核作用會抑制β晶的形成。當(dāng)CNTs含量為5 wt%時,(300)晶面的衍射峰強(qiáng)度I(300)降低了57.9%。同時會降低在(040)晶面的取向度。隨CNTs含量的升高,復(fù)合材料的結(jié)晶度有所下降。

    3.隨CNTs含量的升高,復(fù)合材料的彈性模量和拉伸強(qiáng)度呈上升趨勢。當(dāng)含量達(dá)5 wt%時,其彈性模量比純PP提高近43%,拉伸強(qiáng)度提高近26%。但隨CNTs含量的增加,彈性模量和拉伸強(qiáng)度的增強(qiáng)幅度漸趨平緩,復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度則呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)CNTs含量為1 wt%時,其沖擊強(qiáng)度達(dá)到最高值。

    4.復(fù)合材料熔體的復(fù)數(shù)粘度隨剪切速率的增大而逐漸減小,呈剪切變稀特征。隨著CNTs含量的升高,復(fù)數(shù)粘度逐漸變大。在剪切速率為0.1 s-1,CNTs含量為5 wt%時,復(fù)合材料的復(fù)數(shù)黏度為純PP復(fù)數(shù)黏度的近10倍。剪切速率越高,復(fù)數(shù)黏度對CNTs含量的依賴性越低。此外,在純PP中添加CNTs后,剪切應(yīng)力明顯提高,且隨剪切速率的增加呈同步變化趨勢。當(dāng)剪切速率增大到一定程度,剪切應(yīng)力開始逐漸下降。實驗結(jié)果證明,當(dāng)復(fù)合材料中CNTs含量低于3wt%時,比較適宜既滿足微結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度和成形方面的需求,又更具經(jīng)濟(jì)效益。

    猜你喜歡
    微結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力復(fù)數(shù)
    評析復(fù)數(shù)創(chuàng)新題
    求解復(fù)數(shù)模及最值的多種方法
    數(shù)系的擴(kuò)充和復(fù)數(shù)的引入
    復(fù)數(shù)
    心瓣瓣膜區(qū)流場中湍流剪切應(yīng)力對瓣膜損害的研究進(jìn)展
    金屬微結(jié)構(gòu)電鑄裝置設(shè)計
    用于視角偏轉(zhuǎn)的光學(xué)膜表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計
    剪切應(yīng)力對聚乳酸結(jié)晶性能的影響
    中國塑料(2016年6期)2016-06-27 06:34:24
    粘結(jié)型La0.8Sr0.2MnO3/石墨復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)與電輸運性質(zhì)
    動脈粥樣硬化病變進(jìn)程中血管細(xì)胞自噬的改變及低剪切應(yīng)力對血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬的影響*
    天水市| 万山特区| 离岛区| 饶河县| 辉南县| 太仆寺旗| 葵青区| 剑河县| 正镶白旗| 竹北市| 福鼎市| 龙陵县| 遵化市| 扎兰屯市| 茌平县| 福泉市| 蚌埠市| 信阳市| 南溪县| 若羌县| 昌黎县| 普陀区| 林口县| 阿城市| 金门县| 东平县| 乌拉特后旗| 丰宁| 比如县| 永济市| 商南县| 英山县| 三江| 庄河市| 黄大仙区| 浦北县| 陈巴尔虎旗| 沈丘县| 三原县| 安阳县| 石柱|