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以水蒸气为发泡剂制备高熔体强度PP发泡塑料研究

作　者: 李兵
导　师: 赵良知
学　校: 华南理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 聚丙烯发泡剂水蒸气发泡卸压速率泡孔直径
分类号: TQ328
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

聚丙烯(PP)树脂是应用最广泛的五大通用塑料之一,它具有来源广、易回收、便宜等优点。发泡材料具有质轻、隔热、隔音、缓冲、价格低廉等优点,在国民经济和日常生活中的应用日益增长。近年来,传统的发泡材料(PE、PS等)在成型过程中使用的发泡剂会破坏大气且制品废弃物不腐烂、难回收,易对周围环境造成“白色污染”,PP发泡材料更具有弹性好、强度高、可降解等优异性能,可广泛应用于包装、汽车、建筑等工业领域。目前引起了人们的极大关注。必将成为一种极具开发潜力的新型发泡材料。但由于PP属于结晶性聚合物,在超过熔融温度后熔体强度会快速下降,使得其发泡成型较为困难。目前只有少数发达国家实现了工业化生产。基于对PP发泡材料国内外研究进展的分析,本文采用非连续法制备PP泡沫塑料,分为两部分:1.在单螺杆挤出机上以水为发泡剂制备PP预发泡颗粒;2.以水蒸气作为发泡剂对PP预发泡颗粒进行发泡。用水蒸气作为发泡剂较之其它的化学发泡剂及物理发泡剂有以下两点优势:①发泡时不会产生副产物从而影响制品质量;②原料成本较低,不会引起温室效应,不会破坏臭氧层,发泡过程无毒。所以水蒸气是一种绿色发泡剂。本文以水蒸气为发泡剂,采用细胞模型为泡孔长大的物理模型,以泡孔生长的连续性方程,动量方程,本构方程等为控制方程,得到泡孔生长的数学模型。通过改变松弛时间、粘度、界面张力等物性参数以及水蒸气温度、压力和卸压速率等工艺参数研究泡孔生长的变化规律及这些参数对泡孔生长的影响。在实验上通过改变工艺参数研究泡孔的结构和分布。通过理论和实验研究,对PP发泡材料的微观结构进行观察,并进一步分析各因素(水蒸气压力、卸压速率等)对发泡体结构和性能的影响。研究发现,当压力在1MPa至1.5MPa内,提高水蒸气的压力可使泡孔平均直径增大,这与理论研究的数学模型结果相近;卸压速率在4.8-77.8MPa/s内,卸压速率越大,得到的发泡塑料发泡倍率也就越大,当卸压速率小于4.8MPa/s时,PP预发泡颗粒不能发泡;当水蒸气压力为1.5 MPa,卸压速率是77.8MPa/s时,可以获得发泡均匀、泡孔密度大、表观密度小的PP发泡制品。因此,我们可以通过提高压力和卸压速率来改善制品的泡孔结构。这对以水蒸气为发泡剂来研究和制备泡沫塑料具有一定的指导作用。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-13
主要符号表  13-15
第一章绪论  15-27
  1.1 本课题的研究背景和研究意义  15-16
    1.1.1 研究背景  15-16
    1.1.2 研究意义  16
  1.2 国内外有关泡沫塑料的研究现状  16-26
    1.2.1 泡沫塑料发泡剂的研究进展  16-18
    1.2.2 气泡成核机理分析  18-22
      1.2.2.1 均相成核  19-20
      1.2.2.2 非均相成核  20-22
      1.2.2.3 混和模式成核  22
    1.2.3 泡孔生长的物理模型  22-26
      1.2.3.1 海岛模型  22-24
      1.2.3.2 细胞模型  24-26
  1.3 本文主要工作  26
  1.4 本章小结  26-27
第二章理论分析  27-44
  2.1 泡沫塑料的成型  27-28
  2.2 气泡膨胀过程的物理模型  28-30
  2.3 气泡膨胀过程的数学模型  30-38
    2.3.1 基本假设  30-31
    2.3.2 连续性方程  31-32
    2.3.3 运动方程  32-34
    2.3.4 本构方程  34-36
    2.3.5 气—液界面上的力平衡方程  36-37
    2.3.6 细胞体内气体的质量传递过程  37-38
  2.4 数学模型的简化  38-41
  2.5 控制方程的离散  41-42
  2.6 本章小结  42-44
第三章控制方程组的求解  44-55
  3.1 控制方程中相关参数的确定  44-48
    3.1.1 表面张力σ的确定  44
    3.1.2 气泡核初始压力P_(g0) 与水蒸气密度ρ_g 的确定  44
    3.1.3 初始半径R_0 的确定  44-45
    3.1.4 初始球壳半径S_0 及常数y 的确定  45
    3.1.5 应力松弛时间λ的确定  45
    3.1.6 零剪切粘度η_0 的确定  45-46
    3.1.7 初始应力τ_(rr ,0) 的确定  46
    3.1.8 熔体对细胞模型的压力P_(fn) 的确定  46-48
  3.2 数值计算  48-50
  3.3 气泡生长过程的影响因素  50-54
    3.3.1 熔体的粘性  51
    3.3.2 熔体的弹性  51-52
    3.3.3 气-液界面张力  52-53
    3.3.4 成型初始压力  53
    3.3.5 卸压速率对气泡长大的影响  53-54
  3.4 本章小结  54-55
第四章实验研究  55-72
  4.1 PP 预发泡颗粒的制备  55-59
    4.1.1 实验原料选择  55-56
    4.1.2 实验仪器和设备  56-58
    4.1.3 实验内容  58-59
      4.1.3.1 实验温度和压力的设定  58-59
  4.2 水蒸气发泡  59-62
    4.2.1 实验仪器与设备  59-60
      4.2.1.1 压力容器壁厚的确定  59-60
      4.2.1.2 螺栓规格的确定  60
    4.2.2 实验的工艺流程  60-61
    4.2.3 缷压速率的计算  61-62
  4.3 试样的制备与表征  62-65
    4.3.1 试样的制备  62-63
    4.3.2 试样气泡平均直径的确定  63-64
    4.3.3 发泡体密度与发泡倍率的测定  64
    4.3.4 试样气泡密度的确定  64-65
  4.4 实验结果与分析  65-70
    4.4.1 初始压力对气泡的影响  66-68
    4.4.2 卸压速率对气泡的影响  68-70
  4.5 本章小结  70-72
结论  72-73
参考文献  73-78
攻读硕士学位期间取得的研究成果  78-79
致谢  79

以水蒸气为发泡剂制备高熔体强度PP发泡塑料研究

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