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原位复合材料

科技工作者之家 2020-11-17

原位复合来源于原位结晶(in-situ crystallization)和原位聚合(in-situ polymerization)的概念。材料中的第二相或复合材料中的增强相生成于材料的形成过程中,即不是在材料制备之前就有,而是在材料制备过程中原位就地产生。原位生成的可以是金属、陶瓷或高分子等物相,它们能以颗粒、晶须、晶板或微纤等显微组织形式存在于基体中。

简介原位复合材料(in-situ composite):用短纤维来增强热塑性树脂早已成为高分子材料领域中的一个普通和重要的技术。短纤维的加入一般会导致聚合物熔体粘度上升、加工困难和能耗增加、螺杆和机筒磨损增加并且寿命减短,一方面难以得到均匀的纤维分散,一方面常会导致物料污染和性能下降1。

发展简史原位复合材料的概念是Celanese公司的G.Kiss于1987年提出的。这种材料一般是指热致性液晶聚合物(LCP)与热塑性聚合物(TP)共混而形成的复合材料。它是以LCP作为增强剂,TP作为基体就地形成的微纤结构,从而达到提高基体力学性能的目的。比如国外,CHEN等研究了聚甲基丙烯酸丁酯(PBMA)与纳米CaCO3复合材料的流变性PBMA/CaCO3复 合材料是由BMA与MA所沉淀的CaCO3原位共聚合而成,分析比较了BMA/CaCO3混合物和PBMA/CaCO3复合材料的流变性。结果表明:BMA/CaCo3混合物的黏性随CaCO3含量(质量分数下同)的增加而有明显的增大。在复合材料原位聚合过程中从BMA/CaCO3混合物到PBMA/CaCO3复合材料反应体系的黏度增加了104。国内,董先明等通过原位聚合法制备了炭黑/聚甲基丙烯酸甲酯(CB/PMMA)、炭黑/聚甲基丙烯酸丁酯(CB/PBMA)和炭黑/聚甲基丙烯酸-2-乙基己酯(CB/PEHMA)3种导电复合材料,研究了这3种聚合物基体对复合材料的导电性影响下降趋势,多分散性系数PDI变大,而且炭黑粒子表面发生了接枝聚合反应,这有利于炭黑粒子在聚合物基体中的分散。苑会林等研究了纳米CaCO3原位本体聚合丙烯的方法及其产品的性能。采用经表面处理的纳米CaCO3和加入聚合釜的方法,经在12m3聚合釜的本体聚合生产表明,聚合物产品中纳米CaCO3分散均匀,物理性能和热性能均有所改善,其是机械性能显著提高。利用毛细管流变仪研究了产品的流变行为结果表明复合材料的表观黏度对温度的变化不敏感。邬润德等通过有机单体原位聚合包覆纳米CaCO3与聚丙烯(PP融熔共混合制备了PP/纳米CaCO3复合材料,研究了填料/包覆聚合物比、接枝聚丙烯以及复合填料含量对缺口冲击强度的影响。结果表明,纳米CaCO3只需填加5%(质量分数)就可以将缺口冲击强度提高为原树脂的2倍左右。张广平等在反应器原位分散共聚中加入成核剂和纳米CaCO3制备增强型聚丙烯共聚物,增强型共聚物的冲击强度、弯曲强度和热变形温度大幅提高,拉伸强度也有所增强,同时结晶峰温度显著提高,且半结晶时间明显减少。王平华等对PP/PMMA/CaCO3纳米复合材料的制备、结构及力学性能进行了研究。分别将不同表面处理的纳米CaCO3粒子与聚合物PP共混,制备PP/CaCO3和PP/PMMA/CaCO3纳米复合材料。用TEM观察表面处理后的纳米粒子的粒径及分散情况,发现复合粒子分散较均匀。研究了复合材料的结晶行为,发现原位聚合制备的PMMA/CaCO3纳米复合粒子与PP共混后,PP有异相成核作用,出现了不稳定的β晶型,PP/PMMA/CaCO3纳米复合材料力学性能有大幅度的提高2。

原理根据材料设计的要求选择适当的反应剂(气相、液相或固相),在适合的温度下借助于基材之间的物理化学反应,原位生成分布均匀的第二相(或称增强相)。

性质由于这些原位生成的第二相与基体间的界面无杂质污染,两者之间有理想的原位匹配,能显著改善材料中两相界面的结合状况,使材料具有优良的热力学稳定性;其次,原位复合省去了第二相的预合成,简化了工艺,降低了原材料成本;另外,原位复合还能够实现材料的特殊显微结构设计并获得特殊性能,同时避免因传统工艺制备材料时可能遇到的第二相分散不均匀,界面结合不牢固以及因物理、化学反应使组成物相丧失预设计性能等不足的问题3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学