填充PP復合材料中的β-晶韌性與填料增強相互作用的研究結題摘要

針對填料表面成核機理α→β轉變、填充PP復合材料中α-成核作用與β-成核作用的相互影響和β-晶含量可控技術、填料增強與β-晶韌性協(xié)同作用研究很少報道，本項目采用負載技術研究了表面具有β-成核作用的碳酸鈣、硅灰石、納米碳管、蒙脫土和氫氧化鋁等無機粒子的制備方法，填料表面成核機理α→β轉變，獲得了一系列具有β-成核作用的無機粒子，采用該無機粒子制備了一系列高β-晶含量填充PP復合材料。通過控制負載β-成核劑的量或者具有β-成核作用填料用量，研究了填充PP復合材料中α-成核作用與β-成核作用的相互影響，制備了一系列不同β-晶含量的填充PP復合材料。對比研究不同無機粒子填充PP復合材料的力學性能等，發(fā)現(xiàn)無機粒子的增強作用提高填充β-PP復合材料的剛性，而β-晶賦予填充PP復合材料高的沖擊強度，填料增強與β-晶增韌協(xié)同作用獲得了高強度、高剛性、高韌性的高性能填充β-PP復合材料。 2100433B

針對填料表面成核機理α→β轉變、填充PP復合材料中α-成核作用與β-成核作用的相互影響和β-晶含量可控技術、填料增強與β-晶韌性協(xié)同作用研究很少報道，為結合β-PP的高韌性和無機粒子的增強作用，開發(fā)高性能填充β-PP復合材料，重點研究：（1）不同形態(tài)（納米和微米級球狀、層狀、棒狀等）填料表面成核機理α→β轉變和表面具有β-成核能力可控的不同形態(tài)填料的制備技術，提供一系列不同形態(tài)β-填料。（2）同種和異種填料填充PP復合材料中的α-成核作用和β-成核作用相互影響和填充PP復合材料中β-成核能力可控的技術，提供一系列β-晶含量可控的填充PP復合材料。（3）填充PP復合材料的力學性能、斷裂機理與β-晶含量、β-球晶結構形態(tài)、填料形態(tài)及其分散性、界面相互作用關系，填料增強與β-晶增韌協(xié)同作用和高韌性填充PP復合材料制備的技術。通過以上研究，制備出高強度、高剛性、高韌性的高性能填充β-PP復合材料

PP及其填充復合材料主要形成強度和剛性高，韌性和沖擊強度低的α-PP，采用高韌性β-PP作為基體是發(fā)展高性能PP復合材料的有效途徑。但至今填充β-PP復合材料發(fā)展很慢，關鍵問題是填料表面α-成核作用的影響，難于通過添加填料和β-成核劑的方法得到高β-晶含量的填充PP復合材料。針對以上問題，本項目提出負載型β-成核劑概念，依據(jù)庚二酸與硬脂酸鈣合成庚二酸鈣β-成核劑的基本原理，探索了庚二酸與含鈣或不含鈣填料反應形成庚二酸鈣的科學問題和具有β-成核作用填料粒子制備技術，證實了PP常用填料對PP結晶發(fā)生了α→β成核機理的轉變，發(fā)明了一種制備簡單、成本低廉、β-成核效率高的填充β-PP制備技術。納米碳酸鈣與庚二酸反應形成庚二酸鈣負載在納米碳酸鈣粒子表面，獲得具有β-成核作用的納米碳酸鈣。填充PP復合材料中的β-晶含量隨著碳酸鈣用量增加而提高，獲得β-晶含量高于95%的碳酸鈣填充PP復合材料。而加入填料和β-成核劑的傳統(tǒng)方法制備PP 復合材料的β-晶含量低于50%。為了證實這一技術的普適性，探索了含鈣的蒙脫土和硅灰石負載庚二酸鈣的科學問題，同樣獲得具有β-成核作用的蒙脫土和硅灰石，其填充PP中的β-晶含量也隨β-蒙脫土用量增加而提高，可制備高填充量高的β-晶含量的填充β-PP復合材料。對于不含鈣填料，發(fā)現(xiàn)先將填料與庚二酸作用后再與含鈣物質反應或引入含鈣物質后再與庚二酸反應，都可實現(xiàn)填料表面成核機理α→β轉變，而獲得具有β-成核作用的填料。如MWCNT與庚二酸作用后，再與乙酸鈣反應形成庚二酸鈣，可得到高β-成核作用的MWCNT。采用傳統(tǒng)方法制備MWCNT填充β-PP材料，難于得到高β-晶含量的復合材料。而β-MWCNT填充可獲得95%以上β-晶含量的高填充PP納米材料，且不受MWCNT用量影響。而分子篩經氯化鈣或醋酸鈣鈣化后，再與庚二酸反應可獲得高β-成核作用的β-分子篩。其填充PP材料β-晶含量高達95％。以上研究在國內外發(fā)表SCI論文28篇，授權發(fā)明專利1件，Scopus-分析搜索結果顯示為近幾年國際上發(fā)表β-PP復合材料論文最多的機構和作者，被國外學者認為做出杰出、開創(chuàng)性的工作。該研究對于發(fā)展高韌性PP結構與功能材料和填充β-PP材料低成本產業(yè)化具有重要科學意義和實用價值。 2100433B

針對目前填充聚丙烯（PP）復合材料都為α-PP基體，沖擊強度較低，采用彈性體增韌雖可提高韌性，但引起材料剛性降低。本項目通過研究PP不同填料表面的α-成核作用轉化為β-成核作用的科學問題，解決實現(xiàn)填料表面α-成核作用轉變?yōu)棣?成核作用的技術問題，為低成本制備具有高效β-成核作用的填料（簡稱β-填料）提供科學與技術依據(jù)。通過研究β-填料與PP復合制備高韌性的填充β-PP復合材料中β-PP形成的科學問題，解決高性能填充β-PP復合材料的制備技術問題，為低成本制備高性能填充β-PP復合材料提供科學與技術依據(jù)。通過不同填料表面成核作用的轉變，探索填充PP復合材料中α-和β-成核機理相互轉變的規(guī)律，為深入研究β-成核機理提供科學依據(jù)。本項目實現(xiàn)填料表面α-成核作用轉變?yōu)棣?成核作用和高β-PP含量填充PP復合材料的制備及其研究，具有領先性和創(chuàng)新性，

陶瓷增強體的種類、形貌（晶須或顆粒）、尺寸是影響金屬基復合材料（MMCs）性能的關鍵共性基礎科學問題。本項目研究具有不同形貌與尺寸的原位自生陶瓷顆粒與晶須對鈦基復合材料（TMCs）的混雜增強效應與機理。研究原位自生增強TMCs的制備工藝，分析增強體的形貌、尺寸等因素對復合材料微觀組織和各項力學性能的不同影響；從材料學的角度出發(fā)，研究原位自生顆粒與晶須對TMCs材料的混雜增強效應，并探討其混雜增強機理；結合計算機數(shù)值模擬分析方法建立混雜增強效應對材料不同性能的影響模型，揭示混雜效應與材料力學性能之間的內在聯(lián)系與規(guī)律性。本項研究將對TMCs性能優(yōu)化起重要指導作用，為采用材料設計的思想制備高性能TMCs提供理論基礎與指導，對促進鈦基復合材料的發(fā)展與應用有重要意義，并對其它顆粒增強金屬基復合材料的設計與制備具有參考與借鑒意義。 2100433B