金屬流體與聚合物熔體復(fù)合體系的密煉加工行為.pdf

1、用于聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料的填料通常有:金屬、炭黑、石墨、石墨烯等，這些填料在加工過程中處于固態(tài)。與之不同的是，低熔點金屬熔點低，在加工過程中處于液態(tài)或者半固態(tài)，這可降低復(fù)合體系粘度、提高加工性能、降低設(shè)備磨損;還可以實現(xiàn)加工過程中填料原位細(xì)化和原位纖維化，以及形成雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)。雖然低熔點金屬/聚合物復(fù)合體系存在以上優(yōu)點，但低熔點金屬與聚合物復(fù)合過程中，有金屬析出現(xiàn)象，使填料含量難以提高，進(jìn)而影響復(fù)合材料的使用性能。本文以低熔點金屬錫、S

2、n-Zn合金為填料，試圖探究導(dǎo)致金屬析出的根本原因。研究重點放在低熔點金屬與聚合物的密煉混合行為上。
　　將液態(tài)錫與熔融高密度聚乙烯通過密煉機混合，發(fā)現(xiàn)當(dāng)錫含量高于約2vol％時，發(fā)生錫析出的現(xiàn)象。這與液態(tài)錫/熔融聚乙烯兩相之間高達(dá)167mN/m的界面張力和106倍的粘度差異有關(guān)。在不發(fā)生錫析出（即低熔點金屬加入量低于2vol％）的情況下，通過熱重分析儀和掃描電子顯微鏡研究了混合時間、轉(zhuǎn)速對混合程度和錫粒尺寸的影響。結(jié)果表明，混合

3、時間和轉(zhuǎn)速對混合程度和錫粒尺寸的影響都可以歸結(jié)為比能量輸入的影響。隨著比能量輸入的增加，混合程度先增大，而后保持不變，而錫粒尺寸先減小而后保持不變。不過，分散相細(xì)化在較低的比能量輸入下即可完成，而分散相均化則需在更高的比能量輸入下才能完成。由此，揭示了分布混合和分散混合兩個過程的相互關(guān)系。
　　為了解決低熔點金屬與聚合物復(fù)合過程中金屬析出這一問題，對低熔點金屬錫液體進(jìn)行稠化，以縮小金屬熔體與聚合物熔體之間的粘度差。對此作者選擇了兩

4、條稠化途徑:(1)制備金屬懸浮體。通過向錫液中加入銅粉的方法，制備了銅粉/液態(tài)錫懸浮體，研究了銅/錫懸浮體的結(jié)構(gòu)、以及不同粒徑的銅粉（納米、超細(xì)、微米）對懸浮體流變性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，向低熔點的錫液體中加入高熔點的銅粉末形成了銅粒子與錫連續(xù)體的混合物，銅粒子與錫基體的界面清晰，且仍然保持原有形態(tài)。XRD表征結(jié)果顯示，在銅粒子表面形成了錫銅金屬間化合物。從流變測試結(jié)果可看出，向錫液中加入銅粉，可降低金屬液體的流動性，流動性降低的程度與銅

5、粉的用量有關(guān)，以微米銅粉或者超細(xì)銅粉為增稠物時，懸浮體的粘度隨著銅粉含量的增大而增大，以納米銅粉為增稠物時，在低含量區(qū)，隨著銅粉含量的增大懸浮體的粘度增大，當(dāng)銅粉含量至3.5％時，懸浮體粘度達(dá)到最大，繼續(xù)增加銅粉含量懸浮體粘度變化不大。另外，在降低流動性方面，納米銅粉的效率最高，微米銅粉效率最低，超細(xì)銅粉介于二者之間。從研究中發(fā)現(xiàn)，該方法制備的金屬懸浮體中銅粉分布不均勻，導(dǎo)致懸浮體各部位的粘度不盡相同。并且，與高密度聚乙烯復(fù)合時，在不析

6、出的前提下，金屬懸浮體的添加量仍有限，最高僅達(dá)5vol％。(2)制備半固態(tài)合金。EDS表征結(jié)果表明，自制備Sn-Zn合金中各部位Sn、Zn質(zhì)量比一定。且與高密度聚乙烯復(fù)合時，Sn-Zn合金的最高添加量隨合金中Zn含量的增大而增高，若以Sn-Zn(80％)合金為填料，在添加至20vol％時，也未發(fā)生析出。
　　研究了Sn-Zn合金組成、含量，密煉工藝，以及聚合物基體對制備Sn-Zn合金/聚合物復(fù)合材料過程中金屬析出量的影響。結(jié)果表明

7、:當(dāng)Sn-Zn合金組成一定時，合金添加量較低（含Zn40wt％的合金添加5vol％、含Zn50wt％的合金添加15vol％）時，合金析出量為零，當(dāng)合金添加量較高時，合金析出量隨Sn-Zn合金添加量增大而增大;增加Sn-Zn合金中Zn含量，可減弱金屬析出;與純錫相比，Sn-Zn合金與HDPE有更強的復(fù)合能力;升高加工溫度與降低Sn-Zn合金中Zn的比例對于抑制金屬析出具有等效性;合金析出量隨密煉轉(zhuǎn)速增加而增加，但轉(zhuǎn)速增大會減小合金粒徑分布

8、;密煉時間對合金析出具有很大影響，主要與Sn-Zn合金組成及加工條件下合金熔融、分散過程有關(guān)，Zn含量為30wt％的合金與HDPE密煉的最佳時間為35min;提高聚合物極性，可減弱聚合物與Sn-Zn合金復(fù)合時發(fā)生的金屬析出。
　　在不析出金屬的前提下，進(jìn)一步深入研究密煉工藝對Sn-Zn/HDPE復(fù)合材料中Sn-Zn合金粒徑分布及合金分散的影響。結(jié)果表明，合金粒子的細(xì)化在較短的時間完成，而粒子粒徑的均化需要更長的時間。密煉溫度較低時