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纳米炭黑对LLDPE/PS共混体系相形态及超临界二氧化碳发泡行为的影响

爱思唯尔Elsevier2019-06-30 01:26:27

当今社会中聚合物应用随处可见,新需求的出现不断为高分子学者提出新挑战。将不同聚合物间共混复合是改性聚合物、开发新材料及其大量废旧聚合物材料回收再利用的实用且有效的途径之一。同时,伴随着交通工具领域轻量化和建筑领域节能保温发展趋势,聚合物发泡材料及其制备新技术的需求日益增强。上述两方面发展形成的交叉点——聚合物共混物发泡材料备受学术界和产业界关注。因为多数聚合物在热力学上是不相容的,共混后会形成界面区域和产生不同的相结构。与单一聚合物相比,聚合物共混体系的相形态以及相界面使发泡过程充满挑战。


近期,中国科学院长春应用化学研究所唐涛研究员团队,在爱思唯尔旗下Composites Communications期刊发表了题为“The effect of nanosized carbon black on the morphology and sc-CO2 foaming behavior of LLDPE/PS blends at semi-solid state”的研究论文。

该工作选取典型的通用聚合物,即线性低密度聚乙烯(LLDPE)和聚苯乙烯(PS),形成不相容的共混体系为研究对象,详细研究了加入纳米炭黑(CB)对LLDPE/PS合金相结构及其sc-CO2釜式发泡行为的影响。研究发现,具有双连续相结构的LLDPE/PS=50/50体系中,加入纳米炭黑会导致组分间分散程度显著提高;添加达到一定量时相结构甚至会转变成海-岛结构(图1),合金的发泡能力也大幅提高(图2)。实验团队探究了发泡温度对明显改善体系发泡能力所需纳米粒子添加量的影响(图3),并分析了上述现象发生的原因。对于绿色环保的sc-CO2发泡过程,根据经典成核理论,CO2趋向于在能垒较低的相界面区域聚集,发泡泄压时双连续相结构体系中连续的相界面区为聚集的CO2提供一个扩散逃逸的通道,导致没有足够的CO2来实现泡孔的长大;而海-岛相结构中相界面区域为相互孤立的,可以存留更多的CO2实现泡孔生长。因此,在聚合物共混物发泡过程中,具有双连续相结构体系常需要添加增容剂(如:嵌段共聚物、纳米粒子等)来提高界面间的相互作用,进而改善发泡能力。

图1 (a) LLDPE/PS=50/50,(b)-(e) LLDPE/PS/CB共混物经THF刻蚀处理后的SEM图;(f) 含5 wt%CB的LLDPE/PS/CB样品TEM图。

图2 加入CB纳米粒子前后LLDPE/PS共混物发泡样品的SEM图

(113oC下sc-CO2发泡)。

图3显著提高双连续相LLDPE / PS共混物发泡能力的临界CB量取决于发泡温度。

相关论文发表在Elsevier旗下期刊Composites Communications

(Shaofeng Zhang, Guangchun Zhang, Jian Qiu, Zhiwei Jiang, Haiping Xing, Minggang Li*, Tao Tang*. The effect of nanosized carbon black on the morphology and sc-CO2 foaming behavior of LLDPE/PS blends at semi-solid state, Composites Communications 2018, 7, 30-35. )


https://doi.org/10.1016/j.coco.2017.12.003


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论文作者

张少锋

1991年生。硕士研究生,2015年获得福州大学学士学位,2015年进入中国科学院长春应用化学研究所高分子化学方向学习,目前主要从事结构明确的聚合物的合成,并着重研究其流变行为、相行为及其超临界二氧化碳发泡行为。

张光春

1987年生。博士,2016年获中科院长春应用化学研究所高分子化学与物理博士学位。博士期间主要从事高分子混合物及纳米复合物的发泡行为研究,迄今已在Polymer、RSC Advances、Chinese Journal of Polymer Science、Composites Communications等期刊发表SCI论文多篇。

李明罡

1979年生。博士,2002年获得吉林大学学士学位,2008年获得吉林大学博士学位,2014年进入中国科学院长春应用化学研究所,高分子物理与化学国家重点实验室从事高分子复合材料研究工作,目前主要从事聚合物泡沫材料的制备及功能研究。

唐涛

1963年出生。博士,中科院长春应化所研究员、博士生导师。1985年在大连理工大学(原大连工学院)高分子化工专业获学士学位,1988年在华东理工大学(原华东化工学院)高分子材料与工程专业获硕士学位,1991年在中科院长春应化所高分子化学与物理专业获博士学位。1997年获得中国化学会青年化学奖,2005年获得国家自然科学杰出青年基金资助。主要从事聚合物分子链拓扑结构与性能调控、聚合物多相多组分材料界面与微结构调控、聚合物降解转化与回收再利用。

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