基于双转子连续混炼挤出机的PP/MWNT导电复合材料制备

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通过填充多壁碳纳米管(MWNT)对聚丙烯(polypropylene,PP)进行改性可以获得机械性能优异的抗静电和导电复合材料。聚丙烯/碳纳米管(PP/MWNT)复合材料在电子封装、电磁防护、新型电池等领域都有广泛的应用前景,但目前高性能PP/MWNT复合材料的研究还局限于实验室阶段。因此,研究开发合适的加工设备及工艺实现PP/MWNT导电纳米复合材料的工业化应用具有十分重要的意义。  本文应用课题组自主研发的新型双转子连续混炼挤出机通过母粒熔融共混法在不填加相容剂的条件下制备出导电性能优异、力学性能良好的PP/MWNT导电纳米复合材料;研究了复合材料导电性能与MWNT含量的对应关系;探索了双转子连续混炼挤出机转子构型、转子转速及拉伸后处理对复合材料中多壁碳纳米管分散性的影响,从而得到对复合材料导电性能和力学性能影响的规律,取得的主要研究成果如下:  (1)双转子连续混炼挤机的转子构型是影响PP/MWNT导电纳米复合材料性能的主要因素之一。数值模拟结果表明,混沌转子相比于经典转子具有更加理想的分散和分布混合能力;实验结果表明,低转速条件下混沌转子制备的PP/MWNT复合材料中MWNT分散得更好,材料的导电性能和力学性能优于经典转子制备的材料。混沌转子制备的PP/MWNT复合材料导电渗流阈值低至0.4wt%。当MWNT填充量为4wt%时,混沌转子制备的PP/MWNT复合材料抗拉强度为26.52MPa,比经典转子提高了17.66%。  (2)转子转速是影响PP/MWNT复合材料最终性能的另一个重要因素。研究结果表明,随着转子转速的提高,两种转子的混炼流场特征都有增强的作用,使得聚合物熔体和MWNT受到的剪切和拉伸作用更强,从而提高混合效果。但当转速超过一定值时,过高的外场作用会对MWNT造成损伤,使强化效果降低,这种现象在混沌转子上比较明显。  (3)拉伸后处理对于PP/MWNT纳米复合材料的微观结构和宏观性能都有一定的影响。复合材料的导电性能在拉伸处理后出现一定的下降,但下降幅度随着MWNT填充量的增加而减少。此外,拉伸之后,PP/MWNT复合材料不仅保持了原有的抗拉强度,还获得了优异的柔韧性和延展性。其断裂伸长率由17.48%上升到了117.26%,这可能与MWNT在拉伸作用下发生取向有关。
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