增韧聚丙烯复合材料制备设计Word格式.docx

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标准的名称即超细碳酸钙。

纳米碳酸钙应用最成熟的行业是塑料工业主要应用于高档塑料制品。

可改善塑料母料的流变性，提高其成型性。

用作塑料填料具有增韧补强的作用，提高塑料的弯曲强度和弯曲弹性模量，热变形温度和尺寸稳定性，同时还赋予塑料滞热性。

纳米碳酸钙用于油墨产品中体现出了优异的分散性和透明性和极好的光泽、及优异的油墨吸收性和高干燥性。

纳米碳酸钙在树脂型油墨中作油墨填料，具有稳定性好，光泽度高，不影响印刷油墨的干燥性能．适应性强等优点。

在这个实验中，由于纳米级CaCO3粒径很小，比表面积很大，与PP复合时，会产生很大的界面相互作用，使无机粒子的刚性、热稳定性、尺寸稳定性与塑料的韧性、介电性、加工性等有机结合起来，得到综合性能优良的复合材料[7]。

其增韧机理在于纳米CaCO3粒子的加入使基体的剪切力连续不断地分解弹性体粒子，导致弹性体粒径变小，分散性更加均匀和对基体的增韧作用增强；

弹性体同时也给基体提供了很高的内在韧性，使CaCO3能有效的增韧聚合物基体，进而与纳米CaCO3粒子产生协同增韧作用。

2.2.3乙烯-醋酸乙烯酯

EVA是乙烯醋酸乙烯酯共聚物，它是由乙烯（E）和乙酸乙烯（VA）共聚而制得，英文名称为：

EthyleneVinylAcetate，简称为EVA，或E/VAC。

结构式为：

（CH2CHOH）n。

EVA树脂的特点是具有良好的柔软性，橡胶般的弹性，在-50℃下仍能够具有较好的可挠性，透明性和表面光泽性好，化学稳定性良好，抗老化和耐臭氧强度好，无毒性。

与填料的掺混性好，着色和成型加工性好。

它和乙酸乙烯含量和分子量、熔体指数关系很大。

当熔融指数（MI）一定，乙酸乙烯（VAC）含量提高时候，其弹性、柔软性、相溶性，透明性等也随着提高。

当VAC含量减少时候，则性能接近于聚乙烯，刚性增高，耐磨性、电绝缘性提高，。

若VAC含量一定时候，融体指数增加时，则软化点下降，加工性和表面光泽改善但强度会下降，否则，随MI的降低则分子量增大，冲击性能和抗环境应力开裂性能提高。

2.2.4石蜡

石蜡是石油加工产品的一种。

固体烷烃的混合物。

无臭无味、白色或淡黄色固体。

由天然石油和人造的含蜡馏分用冷榨或溶剂脱蜡、发汗等方法制得。

用于制高级脂肪酸、高级醇、火柴、蜡烛、防水剂、软膏、电绝缘材料等。

化学中，石蜡是固态高级烷烃混合物的俗名，分子式为CnH2n+2，其中n=20-40。

石蜡不与常见的化学试剂反应。

在这改性体系中，要加入一定量的石蜡，适当地降低熔体粘度，改善改性PP熔体的流动性，以适应加工工艺的需求[8]。

2.2基本配方

表2-1SBS增韧PP复合材料配方质量份

3、高分子复合材料工艺设计

3.1生产工艺设计

3.1.1生产工艺选择

按表2-1的比例称量原料，按配方分别称量PP、SBS、纳米CaCO3、聚乙烯蜡，将称量好的PP、SBS从加料口倒入高速捏合机，高速搅拌10～15min。

通过高速搅拌，物料PP、SBS在高速搅拌作用下，与高速捏合机内壁和搅拌器产生摩擦热，物料温度升高。

这时，高速捏合机内壁温度约60℃～70℃，再从加料口加入混合均匀的纳米CaCO3、EVA和石蜡，搅拌2～3min，石蜡熔化，使纳米CaCO3均匀地分散在PP与SBS表面，即可出料。

注意，搅拌时间需控制好，时间不应太久，否则纳米CaCO3容易团聚，影响纳米CaCO3在物料中的均匀分散。

最后用双螺杆挤出机挤出，挤出条料经水槽冷却、空气冷却，引入切粒机切粒、包装。

之后在烘干机里烘12h左右，最后在210℃～220℃注塑成所需测试样条。

3.1.2生产流程图

图3-1流程图

3.2生产使用设备选择及参数选择

3.2.1高速混合机

本实验采用SHG-200高速捏合机，如皋市皋翔塑料机械厂

表3-1混合机工艺参数

混合机型号

SHG-200高速捏合机

容积 

200L

拌缸内径

730mm

拌缸内壁材质及厚度

304mm8mm

拌桨数

2根

拌桨材料

Z304

拌桨形状

上桨方向盘式、下桨牛角式 

拌桨转速 

460r/930r/min

出料方式

手摇装置出料

电动机 

YD250S-8/4 

30/42kw

外形尺寸

2000mm*900mm*1480mm

重量

1500kg

3.2.2挤出造粒机

本实验采用SHJ35塑料双螺杆挤出造粒机，南京格兰特橡塑机械设备有限公司；

实验用小型切粒机，泰州市科飞橡塑机械有限公司

表3-2挤出机工艺参数

型号

SHJ35塑料双螺杆挤出造粒机

滤筛板孔径

2.5（mm）

螺杆直径

35（mm）

品牌

GRT

电动机功率

15～30（kw）

螺杆数

双螺杆

3000*800*1500（mm）

生产能力

30～150（kg/h）

加热功率

12（kw）

螺杆长度

1800（mm）

2000（kg）

表3-3切粒机工艺参数

LQ--60

最大产量（Kg/h）

60

切粒条数（根）

≤6

切粒标准（mm）

Ø

3×

3

切刀尺寸（mm）

120×

100

切刀转速

200--1200

调速电机功率（Kw）

1.1

3.2.3注塑成型机

本实验采用的注射剂型号XZ—25/25

表3-4注射机工艺参数

注射机的类型

螺杆式

螺杆转速

30～60

喷嘴形式

直通式

喷嘴温度

170～190

料筒温度

前段

180～200

中段

200～220

后段

160～170

模具温度/

40～80

注射压力/MPa

70～120

保压压力/MPa

50～60

注射压力/s

0～5

保压时间/s

20～60

冷却时间/s

15～50

成型周期/s

40～120

4、材料性能测试设计

4.1材料性能测试项目选择与理由

本设计测试的项目主要包括探究力学性能、流动性能、耐热性、热性能，所用到的科学仪器包括万能材料试验机、热重分析仪（TG）、差示扫描量热仪（DSC）、熔融指数测定仪、ZMK1302-2微机控制热变形微卡软化点温度试验机等。

4.1.1试样力学性能

按照GB/T1040-92，GB/T9343-2000，GB/T1043-93进行拉伸、弯曲、冲击等力学性能测试。

（1）拉伸试验

拉伸试验是在三个外界条件：

温度、加载速度、应力状态都恒定的条件下进行的。

温度条件指常温、低温、和高温。

加载速度是在静载荷下进行的,应变速率一般为0.0001～0.01/s。

应力状态为单向沿轴拉伸，即简单应力状态。

它具有简单易行、试样便于制备等特点。

通过拉伸试验可以得到材料的基本力学性能指标，如弹性模量、屈服强度、规定非比例延伸强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率、应变硬化指数和塑性应变比等。

缺口拉伸试验可以衡量材料的脆性破坏倾向。

高温拉伸试验可以了解材料在高温下的失效情况；

而低温拉伸试验则不但可以测定材料在低温下的强度和塑性指标，而且还可以用于评定材料在低温下的脆性。

拉伸试验所得到的材料强度和塑性性能数据，对于设计和选材、新材料的研制、材料的采购和验收、产品的质量控制、设备的安全和评估，都有很重要的应用价值和参考价值，有些则直接以拉伸试验的结果为依据。

（2）弯曲试验

弯曲试验测定在三点加负荷的情况下,使横梁型的试样弯曲时所需力的大小,弯曲试验的结果经常用来选择在弯曲负荷作用下无形变的材料,弯曲模量也用于衡量某种材料的劲度。

杆件在受弯时其断面的上部是受压区,而下面是受拉区.以矩形匀质断面为例,受压、受拉区的最外沿的强度就叫做弯曲强度。

它与弯矩成正比与断面模数成反比。

弯曲强度测定常常采用简支梁法，将试样放在两支点上，在两支点间的试样上施加集中载荷，使脆性材料变形直至破裂时的强度即为弯曲强度，对于非脆性材料来讲，当载荷达到某一值时其变形继续增加而载荷不增加时的强度即为破坏载荷。

测试的结果根据下式计算弯曲强度：

σ=1.5PL/bh2

式中：

p——最大载荷，N；

L——试验时试样的跨度，mm；

b——试样宽度，mm；

h——试样厚度，mm。

（3）冲击试验

冲击试验是用来量度材料在高速冲击状态下的韧性或对断裂的抵抗能力的。

对研究改性PP在经受冲击载荷时的力学行为有一定的实际意义。

冲击强度是指标准试样受高速冲击作用断裂时，单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。

它描述了高分子材料在高速冲击作用下抵抗冲击破坏的能力和材料的抗冲击韧性，有重要工艺意义。

但它不是材料基本常数，其量值与实验方法和实验条件有关。

冲击实验时，有时在试样上预置缺口，有时不加缺口。

有缺口试样的抗冲强度远小于无缺口试样，原因在于有缺口试样已存在表观裂纹，冲击破坏吸收的能量主要用于裂纹扩展。

另外缺口本身有应力集中效应，缺口附近的高应力使局部材料变形增大，变形速率加快，材料发生韧-脆转变，加速破坏。

缺口曲率半径越小，应力集中效应越显著，因此预置缺口必须按标准严格操作。

4.1.2流动性能

本实验采用熔融指数测定仪

熔体流动速率是表述塑料在一定温度和压力下熔体流动性的参数（MFR），也指熔融指数（MI，meltindex），是指在一定时间（10分钟）内、一定温度及压力（各种材料标准不同）下，融化成塑料流体，然后通过一直径为2.1mm圆管所流出的克（g）数。

其值越大，则表示塑料熔融状态下流动性好，平均分子量低，制品的强度也就低，加工流动性就越好；

熔体流动速率小，则表示塑料熔融状态下流动性差，平均分子量高，制品的强度也就高。

4.1.3耐热性

本实验采用ZMK1302-2微机控制热变形微卡软化点温度试验机

工程塑料、通用塑料等聚合物的试样于液体传热介质中，在一定的载荷、一定的等速升温条件下，被1mm2的压针压入1mm深度时的温度。

维卡软化点适用于控制聚合物品质和作为鉴定新品种热性能的一个指标，不代表材料的使用温度。

高聚物的热性能是高分子材料加工成型和应用过程中的重要性能之一，涉及到高聚物的结晶，熔融、热变形温度、熔融指数等等，是研究高分子材料的耐热性，热稳定性的重要方法。

维卡软化温度（VicatSofteningTemperature）是将热塑性塑料放于液体传热介质中，在一定的负荷和一定的等速升温条件下，试样被1平方毫米的压针头压入1毫米时的温度，对应的国标是GB1633-79（目前已被GB/T1633-2000所代替）;

维卡软化温度是评价材料耐热性能，反映制品在受热条件下物理力学性能的指标之一。

材料的维卡软化温度虽不能直接用于评价材料的实际使用温度，但可以用来指导材料的质量控制。

维卡软化温度越高，表明材料受热时的尺寸稳定性越好，热变形越小，即耐热变形能力越好，刚性越大，模量越高。

4.1.4热性能

（1）TG

DiamondTG/DTA用于科学研究，产品研发，质量控制等各个领域，适用于无机材料（如：

陶瓷、合金、矿物、建材等）。

有机高分子材料（如：

塑料、橡胶、涂料、油脂等），食品，药物及催化反应和各种固液态试样，可以获得以下重要信息：

组份分析、热稳定性、添加剂含量、分解温度、分解动力学、脱酸、脱水、氧化还原反应、非均匀相催化反应、氧化诱导期、熔点、反应热、与红外、质谱联用，对逸出气体进行定性、定量分析。

（2）DSC

示差扫描量热法（DSC）是在程序控制温度条件下，测量输入给样品与参比物的功率差与温度关系的一种热分析方法．差示扫描量热法克服了差热分析法以温差间接表达物质热效应，且差热分析曲线影响因素很多，难于定量分析的缺陷，具有分辨率高、灵敏度高等优点。

能定量测定多种热力学和动力学参数，且可进行晶体微细结构分析等工作，如样品的焓变，比热容等的测定。

4.2材料性能测试基本原理及方法

4.2.1试样力学性能

原理：

物体因外力作用产生变形,其内部各部分之间因相对位置的变化而引起的相互作用称为内力.众所周知,即使不受外力,物体各质点间也存在相互作用力.我们所称的内力,是在外力作用下,上述各作用力的变化量,随着该变化量的逐渐加大,物体内部发生一系列的物理变化,当到达某一极限时,物体就会被破坏,该极限与物体的强度有直接关系.

将物体简化为杆件.杆件受到外力F作用,在其任意横截面上均产生内力F.一般,截面上的内力并不是均匀分布的,因此,用单位横截面上的内力,即应力来表示材料抗破坏与变形的能力.由于横截面积So随着构件不断被拉伸而逐渐减小,故而一般用初始截面积SO来计算应力σ,该σ称为工程应力:

σ＝

在材料性能测试中，除了要测出应力，经常还要了解材料经拉伸后的变形程度。

设杆件的初始长度为

则工程应变ε为：

ε=

图4-1拉伸试样

ε和σ是拉伸试验中两个最基本的参数，它们相互之间有一定的联系。

对于不同材料的试样，由于其化学成分及组织的不同，在拉伸过程中会体现出不同的物理现象及力学性质，但从外表看来，一般分为以下几个基本过程。

以金属试样为例，将试样装夹在材料试验机上，按照有关标准规定选择合适的速率，均匀地对试样施加作用力F，可以观察试样由开始到破坏（一般是断裂）的几个阶段。

试样初始受力，宏观上逐渐被均匀拉长，然后在某一点横截面渐渐变细（缩颈），直至在该处断裂。

塑性较好的材料一般有明显的缩颈现象。

但也有例外，如奥氏体钢、铝青铜等塑性金属材料不发生缩颈，这类材料通常有圈套的加工硬化能力。

而对于较脆弱的材料，一般由伸长到最终断裂前，通常无明显缩颈现象发生。

拉伸过程中，材料试验机上的自动记录装置也可自动绘出拉伸曲线图，该图以力F/N作为纵坐标，试样的伸长量

/mm为横坐标，即F-

曲线，习惯上称为拉伸图。

方法：

在下图画好标线，使得l=50mm

图4-2试验样条

将做到的样条放在拉力机上，启动电脑中的程序，点击开始，进入测试。

弯曲性能测试主要用来检验材料在经受弯曲负荷作用时的性能，生产中常用弯曲实验来评定材料的弯曲强度和塑性变形的大小，尤其是对于托架这样的产品，制品经常受到弯曲的作用力，弯曲强度称为质量控制和应用设计的重要参考指标。

1.使用游标卡尺测量试样中间部位的宽度和厚度，测量三点，取其平均值，精确到0.02mm。

2.电子式万能材料试验机使用前预热30分钟。

3.调整电子式万能材料试验机，设定相应的实验参数，最大静态弯曲载荷选择10KN的档位；

下压速度选择（l-3）/h（mm/min）；

跨度L选择10h±

0.5（mm）。

4.调节好跨度，将试样放于支架上，上压头与试样宽度的接触线须垂直于试样长度方向，试样两端紧靠支架两头。

5.启动下降按钮，试验机按设定的参数开始工作。

当压头接触到试样后，计算机开始自动记录试样所受的载荷及其产生的位移数据。

至试样到达屈服点或断裂时为止，立即停机。

6.保存数据，并根据数据作弯曲载荷-位移曲线图，并保存。

根据图形分析试样的弯曲力学行为。

4.2.2流动性能

熔体流动速率的测定:

熔体流动速率系指热塑性塑料在一定温度和负荷下，熔体每10min通过标准口模的质量，用MFR来表示，其数值可以表征热塑性塑料在熔融状态时的粘流特性。

称取约4g改性PP粒料放入加料器中待用。

温度稳定后即可加料，加料前取出料杆，置于耐高温物体上，避免料杆头部碰撞。

把漏斗插入料杆筒内（尽量不与料筒避相碰，以免发烫）边加料，边轻击漏斗上缘使料快速学习漏下，加料完毕，用压料杆将料压实，再插入料杆套上砝码托盘，插入料杆时，料杆上的定位套要放好，其外缘嵌入料筒，上述操作应在一分钟内完成。

合上电源，电源开关灯亮，系统开始工作，下方数码管显示上次设定温度值，上方数码管显示料筒当前温度值。

设置搬运操作状态，在搬运操作状态下，计时器作秒表使用按启动/复位键。

计时器按“计时→停止→清零计时→停止”的顺序转换。

将仪器上部自动用杠杆压制到底，抽动启动/复位键计时器。

启动→停止→清零计时→停止的方式循环工作，此时计时器作秒表使用。

待加料后，经4—6分钟，温度恢复正常即可开始切割取样。

切割取样应在料杆上下标记线之间，如果发现在规定预热时间后，料杆以上下标记线不在此位置，就应调整下一次试验的加料量，或者，在加料后待试料熔化，再额外增加负荷，使料杆快些达到预定位置。

撇去负荷（以手压作负荷时，注意料杆切忌歪斜，以免导致料杆损坏）。

此操作不要超过试料加入后预热的4分钟。

用切割刀按所规定的切样间隔时间逐个切取样条，每个样条的长度在20-50mm左右，按肉眼可见气泡的样条丢弃，将保留的样条（至少三个逐个称重，准确到0.0001g，称出它们的平均质量。

塑料的熔体流动速率（熔融指数）MFR（MI）以每个参数时间的克数表示，公式为：

MFR=600×

m/t（g/10min）

其中MFR—熔体流动速率（g/10min）

M—样条的平均质量（g）

T—该样条流出口模的时间（s）

每次试样完毕，在砝码上加压，使快速挤出的余料后，抽出料杆，用清洁纱布趁垫擦洗干净，然后用口模顶杆将口模自下而上顶出料筒用口模清洗杆及纱布清洗口模内外，再在料筒上部加料口铺上干净的纱布。

（50×

50mm左右二层）将清洗杆压住纱布插入料筒，抽拉旋转清洗料筒内壁，反复多次。

4.2.3耐热性

维卡试验的原理：

聚合物的耐热性能，通常是指它在温度升高时保持其物理机械性质的能力。

聚合物材料的耐热温度是指在一定负荷下，其到达某一规定形变值时的温度。

发生形变时的温度通常称为塑料的软化点Ts。

方法如下：

（1）按照“工控机”→“电脑”→“主机”的开机顺序打开设备的电源开关，搅拌同时开始，让系统启动并预热10min。

（2）将试样放入支架上，其中心位置在压针头之下，加工面应该紧贴支座底座，插入水银温度计。

（3）将支架小心浸入油浴槽中，使试样位于液面35mm以下。

浴槽的起始温度应低于材料的维卡软化点50℃。

（4）按测试需要选择砝码，使试样承受负载1kg（10N）或5kg（50N）。

本实验选择50N砝码，小心将砝码凹槽向上平放在托盘上.

（5）检查下仪器显示，打开加热开关。

（6）观察视频显示记录实验数据。

（7）当达到预设的变形量或温度，实验自动停止后，打开冷却水源进行冷却。

然后向上移动位移传感器托架，将砝码移开，升起试样支架，将试样取出。

（8）实验完毕后，依次关闭主机、工控机、打印机、电脑电源。

4.2.4热性能

差热分析是在程序控制温度下测定物质和参比物之间的温度差和温度关系的一种技术，差热分析装置称为差热分析仪，下图为差热分析仪结构示意图。

如下图所示，将样品和参比物同时进行升温，当样品没有发生化学变化时，样品温度（Ts）和参比物的温度（Tr）相同，温差△T=Ts-Tr=0，无热效应发生，温差电势等于0。

当试样在某一温度下发生物理或化学变化，则会放出或吸收一定的热量，此时温差热电势△T就会偏离基线，出现差热峰。

试验中将温差热电势讯号经过放大后送入记录仪中，得到横坐标为温度T（或时间t）、纵坐标为试样与参比物的温差△T的差热分析曲线。

△T=0表示没有热效应产生，此时记录的DTA曲线为一直线，称为基线。

如果样品有热效应产生，则记录的差热峰反映样品的放热、吸热过程。

图4-3差热分析仪结构示意图

①制样除气体外，固态液态或黏稠状样品都可以用于测定。

装样的原则是尽可能使样品均匀、密实分布在样品皿内，以提高传热效率，填充密度，减少试样与皿之间的热阻，因此要把较大样品剪切成薄片或小粒，并尽量铺平。

一般使用的是铝皿，分成盖与皿两部分，样品放在其中间，用专用卷边压制器冲压而成。

挥发性液体不能用普通试样皿，要采用耐压密封皿。

聚合物样品一般使用铝皿，使用温度应低于500℃，否则铝会变形。

当温度超过500℃时，可用金、铂、石墨、氧化铝皿等，但要注意，铂皿与熔化的金属会形成合金，也易被P、As、S、C12、Br2等侵蚀。

DTA常用经高温焙烧的α-A12O3。

作参比物，由于A12O3与聚合物的比热容和热导率相差较大，近来有人采用硅氧烷、间苯二酸，甚至用聚四氟乙烯等作参比，用参比物的原则是热惰性、热容量和热导率以及重量应与试样匹配。

②基线、温度和热量的校正仪器在刚开始使用或经过一段时间使用后都需进行这三项校正，以保证谱图数据的准确性。

基线校正是在所测温度范围内，当样品池和参比池都未放任何东西时，进行温度扫描，得到的谱图应当是一条直线，如果有曲率或斜率甚至出现小吸热