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  • 发表于:2018-02-12 9:45:29

聚合物材料可靠性分析原理(10)

石拓•著

1.4聚合物基复合材料的制造

根据聚合物基复合材料的定义1.1.3.1,此类复合材料是有机高分子聚合物与无机材料的复合。

然而,有机高分子聚合物与无机物,是两类分子结构完全不同的物质,因此两者之间很难牢固的结合在一起。要使它们牢固的结合,必须存在第三种物质。并且要求这第三种物质,既能与高分子结合,又能与无机物结合。这种物质就是所谓的“偶联剂”。偶联剂的作用是,使得两种毫不相干的分子,通过偶联剂实现偶联。

用于聚合物基复合材料的偶联剂,是一种含有亲无机基团和亲有机基团的有机物。因此,偶联剂可以使得,有机高分子与无机物分子,实现偶联(coupling)。

在聚合物基复合材料的制造中,通常使用的是,硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂。含有硅原子的无机物,例如玻璃纤维(GF),通常采用硅烷偶联剂。其它的通常采用钛酸酯偶联剂[1][2]。

1.4.1矿物增强复合材料制备

为了提高材料的使用温度,或者硬度,或者弯曲强度,以及降低材料成本等等,以达到材料的有效应用之目的。需要对聚合物材料的性能,进行改性处理。

无机矿物是一种优良的改性材料。用来改性设计的无机矿物,通常有碳酸钙(CaCO3)、高岭土(硅铝酸盐为主要成份的混合物)、中空玻璃微粒、石墨等等。其中最为常见的有,碳酸钙增强聚乙烯(PE),即PE/CaCO3;碳酸钙增强聚丙烯(PP),即PP/CaCO3,等等。PE/CaCO3经“压延热粘”工艺,制成的钙塑瓦楞纸,用来制造耐冲击,不易撕裂的“钙塑箱”;PP/CaCO3可以制造板材,即PP钙塑板。

20世纪80年代的后期,我们开发制造了碳酸钙增强双酚A聚砜树脂(PSF)[11],即PSF/CaCO3,以及硅灰石(CaSiO3)增强尼龙1010(PA1010)[12],即PA1010/CaSiO3。无论PSF/CaCO3还是PA1010/CaSiO3复合材料,都是属于耐高温、高强度的聚合基复合材料[11][12]。而PC/CaO3/NBR是增强增韧的聚合物合金复合材料[2]。其中碳酸钙的表面处理,采用钛酸酯偶联剂;硅灰石(CaSiO3)的表面处理,采用硅烷偶联剂。

无机矿物与聚合物的复合,是利用无机矿物的物理特性,目的是增加材料的强度,提高材料的尺寸稳定性,以及热变形温度(见2.2)。但是,无论采用何种无机矿物,在与聚合物复合前,必须经过偶联剂处理,否则将会适得其反。

因此,矿物增强复合材料的制造,通常分为二步。第一步是将无机矿物,用偶联剂进行表面活性处理,得到表面具有化学活性的矿物。第二步,将一定配比的表面活性矿物,以及添加剂等配料,与熔化的聚合物,在高速剪切力的挤压下混匀。然后,冷却,切片,成为可以用于成型加工的产品。

假如,所需的无机矿物,生产商在出厂前已经偶联剂表面处理,那么就可以直接与聚合物复合共混,一步到位。

1.4.2纤维增强复合材料的制造

除了无机矿物与高分子聚合物复合外,高强度的耐高温纤维,也是一类重要的复合原料。在聚合物基复合材料中,所采用的高强度耐高温纤维,最为常见的是,无碱玻璃纤维(GF)和碳纤维(CF),以及它们所织成的布,即俗称的“玻璃布”和“碳纤维布”。

耐高温高强度的纤维,通常用于热塑性聚合物的复合。纤维分为长纤维和短切纤维两种。用于热塑性聚合物共混复合的碳纤维,只能是短切纤维,因为长碳纤维在共混复合时不易切断,因此无法在共混体中均匀分布。

无论是长纤维,还是短切纤维,纤维表面的偶联剂活性处理,是与纤维的生产同时进行的。所以,商品纤维与热塑性聚合物的复合,可直接与熔化的聚合物,在高速剪切力挤压作用下,如螺杆反应挤出机,共混制得。

玻璃纤维和碳纤维,通过纺织织成的布匹,通常用于热固性聚合物的复合,与热固性聚合物复合后,直接模压或固化成型,成为复合材料制品,即所谓的玻璃钢制品。有时,为了满足聚合物基复合材料的设计性能,将无机矿物、各种纤维,按照一定的比例,与高分子聚合物进行复合,制成一种多元复合的材料。多元复合的材料,通常具有特殊性能。

因此,聚合物基复合材料,是一种具有广阔发展前景的人工合成材料。

参考文献

【1】石拓  等,“A Study on The Rheological and Mechanical Properties Of PC/CaCO3/NBR Composite”,The Polymer Processing Society,International.PPS-Regional Meeting Of ASIS/AUSTRALIA.,Shanghai China.(学术报告,论文编号P/7)1991.

【2】石拓,材料工程,1993,[11]:14.

【3】唐敖庆 等 著,“高分子反应统计理论”,科学出版社,1985.

【4】P.J.Flory,“Principles of Polymer Chcmistry”,Cornell University Press,1953.

【5】L.H.Peebles,Jr.,“Molecular Weight Distribution in Polymers”,Interscience Publishers(1971).

【6】石拓  等,化学反应工程与工艺,1988,[3]:114.

【7】石拓  等,化学反应工程与工艺,1990,[1]:94.

【8】石拓  等,“The Study Of Molecular Weight Distribution Of Solution Condensation Polymer and It’s Control”,33rd IUPAC International Symposium on Macromolecules.Montreal Canada.(学术报告,论文编号715),1990.

【9】石拓,《PA6/ABS合金性能的研究》,1993,(未发表)

【10】石拓,《热塑性弹性体及聚烯烃的接枝技术》,1993,未发表。

【11】石拓,材料工程,1994,[5]:5.

【12】石拓  等,塑料工业,1993,[6]:46.

(待续)