在壓力誘導(dǎo)流動場中無定形聚合物中橡膠相的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控及其增強(qiáng)增韌機(jī)理研究.pdf

1、本文主要對無定形材料中微米、納米和微米納米多級尺度的橡膠相在PIF成型的作用下的結(jié)構(gòu)演變及其相關(guān)增韌機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究，主要包括材料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能以及微觀結(jié)構(gòu)及其引發(fā)的新的能量耗散方式，進(jìn)而定量地建立了微觀結(jié)構(gòu)與材料的力學(xué)性能的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上我們提出了多級有序結(jié)構(gòu)的新增韌模型及銀紋受限的新增韌機(jī)理。具體結(jié)論如下:
　　1.在微米的尺度上系統(tǒng)地解析了通過壓力誘導(dǎo)流動(PIF)成型，高抗沖聚苯乙烯(HIPS)中微米尺度

2、的橡膠相的變形機(jī)理與增韌機(jī)理。對比初始樣品，PIF加工后HIPS的沖擊和抗拉強(qiáng)度同時得到了提高，分別增加了100％和30％。通過透射電鏡(TEM)、原子力學(xué)顯微鏡(AFM)和小角散射(SAXS)技術(shù)的表征，我們發(fā)現(xiàn)各向同性的球狀salami（內(nèi)部有大量包覆結(jié)構(gòu)）橡膠相強(qiáng)烈變形，并隨著壓縮比的增加形成了平行和取向的碟狀橡膠相。SEM的形貌觀察結(jié)果表明材料的斷裂面從各向同性的平滑的魚鱗狀轉(zhuǎn)變?yōu)殚L而規(guī)整的凹槽狀，這證明了斷裂面的粗糙度大幅提高

3、。通過TEM的表征證明，平行而取向的碟狀橡膠相結(jié)構(gòu)可以在脆性基質(zhì)中引發(fā)更多的銀紋，并且可以更為有效地終止銀紋的擴(kuò)張，避免其生長成為應(yīng)力缺陷。
　　2.在納米的尺度上系統(tǒng)地解析了通過壓力誘導(dǎo)流動(PIF)成型后苯乙烯-丁二烯-丙烯腈嵌段共聚物(ABS)中的納米橡膠相的微觀變形機(jī)理及增韌機(jī)理。通過力學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PB含量為10wt.％的時候，PIF加工后的ABS的沖擊和抗拉強(qiáng)度同時得到了提高，分別增加了120％和40％。并且斷裂伸

4、長大幅度地提高，拉伸韌性提高到初始樣品的600％。通過TEM和SAXS技術(shù)的表征，隨著壓縮比的增加，橡膠粒子的縱橫比從1約增加到了7，橡膠粒子的取向參數(shù)約增加到了94％，分布的高斯擬合半峰寬從14線性地下降到了8，即經(jīng)過PIF加工實現(xiàn)了各向同性的球狀橡膠粒子轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫卸行虻牡鸂钕鹉z粒子;通動態(tài)力學(xué)性能(DMA)與傅里葉紅外光譜(FTIR)表征，證明了隨著壓縮比的增加，其界面處的分子鏈發(fā)生取向，并且取向程度增加，所以其剛性增加。SEM的

5、結(jié)果表明對于未PIF加工的ABS樣品，其斷裂面平滑并且呈各向同性，為脆性斷裂;對于PIF加工后的樣品，其斷裂形貌粗糙度明顯增加，這表明在沖擊過程中其有效的阻礙了裂紋的擴(kuò)展，耗散了更多的能量。TEM的觀察表明平行而取向的碟狀橡膠相結(jié)構(gòu)可以在脆性基質(zhì)中引發(fā)更多的銀紋，并且可以更為有效地終止銀紋的擴(kuò)張，避免其生長成為應(yīng)力缺陷。并且隨著橡膠含量的增加，平行而有序的碟狀橡膠粒子間的距離也隨之減小，可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)基質(zhì)中的銀紋被粒子間距離減小的橡膠粒

6、子所進(jìn)一步限制，變得更多而更短。通過動態(tài)光學(xué)應(yīng)變系統(tǒng)(ARAMIS)的分析，取向而平行排列的碟狀橡膠粒子不僅可以引發(fā)更多銀紋，讓局部形變程度增強(qiáng)，并且可以有效地阻止裂紋的生長，使得裂紋鈍化發(fā)生偏轉(zhuǎn)，更多地耗散能量。
　　3.在微米與納米多級尺度上系統(tǒng)地解析了通過壓力誘導(dǎo)流動成型后聚苯乙烯(PS)與熱塑性嵌段共聚物苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)共混物體系的變形機(jī)理與增韌機(jī)理。首先通過PIF加工，純的PS樣品的沖擊與拉伸強(qiáng)度均沒有得

7、到提高，然而對于橡膠含量為15 wt.％的共混材料，經(jīng)過PIF加工其沖擊韌性增加了200％，同時PIF加工后的PS/SBS樣品的拉伸強(qiáng)度提高了約40％。通過DMA分析，PS相的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為103℃，且經(jīng)PIF加工基本保持不變，而PB的Tg從初始的-77℃轉(zhuǎn)移到了約-70℃，說明PB分子鏈在PIF加工過程中受到更多的限制。通過小角與紅外的測試，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過PIF加工后，隨著壓縮比的增加基本不會影響純PS振動單元發(fā)生取向，而對于PS/SBS

8、共混材料，PS和PB相兩者分子鏈沿著FD取向。PB相取向的有序程度隨著CR增加而增加，表明在邊界剪切作用增加;PS相取向的有序程度隨著CR增加而略有增加。通過TEM表征，對比未經(jīng)PIF加工的球狀無規(guī)分布的SBS橡膠相，PIF加工后的橡膠相SBS相呈現(xiàn)各向異性，并且在微米尺度形成了沿著FD取向的相疇有序的平行排列的層狀結(jié)構(gòu)，其在納米尺度呈現(xiàn)典型的雙連續(xù)相。然而經(jīng)過PIF加工后，在SBS相內(nèi)的納米尺度的雙連續(xù)相轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂鳩D發(fā)生取向，在納米

9、尺度形成了層狀結(jié)構(gòu)。通過SEM表征，經(jīng)過PIF加工，隨著壓縮比的增加，材料的斷面呈更長、更深切更為規(guī)整排列的斷裂結(jié)構(gòu)。其斷面的粗糙度在微米和納米的尺度均有明顯的增加，證明PIF加工的樣品的斷裂面屬于韌性斷裂。通過TEM對PIF前后樣品的銀紋的表征，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過PIF加工后的本體PS/SBS共混材料中形成了在微米尺度的層狀結(jié)構(gòu)，其可以有效地使銀紋受限，受限的銀紋不能繼續(xù)生長成為裂紋，被終止的銀紋的能量可被下一層橡膠相繼續(xù)耗散，同時納米尺度層狀