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无机粒子对TPAE界面张力、发泡、抗收缩行为的影响(一)
来源:《北京化工大学学报(自然科学版)》 浏览 158 次 发布时间:2024-11-14
摘要:以超临界CO2为发泡剂,制备了低收缩高倍率的热塑性聚酰胺弹性体(TPAE)/无机粒子微孔泡沫。基于扫描电子显微镜、界面张力仪、接触角仪、真密度仪等仪器,并结合间歇发泡实验研究了无机粒子对TPAE发泡及抗收缩行为的影响。结果表明,相比较于滑石粉(Talc),硅酸钙(CaSiO3)、碳酸钙(CaCO3)以及硅灰石(WI)这3种无机粒子都分别与TPAE间的界面张力更高,表现出明显的热力学不相容行为。通过对泡沫开孔结构形成机制的分析,发现复合物泡沫的开孔率随无机粒子与TPAE基体间界面张力、无机粒子直径以及分布密度的增加而提高。而开孔结构的形成可加快CO2与空气的置换速率,降低TPAE泡沫的收缩。故无机粒子的引入改善了TPAE泡沫的泡孔密度和泡孔结构的均匀性和尺寸稳定性,进而制备出开孔率超过90%、发泡倍率达到20倍、收缩率低于5%的TPAE泡沫,并显著增强了TPAE泡沫的尺寸稳定性。
引言
热塑性聚酰胺弹性体(TPAE)是一种软段与硬段相互交替嵌段的热塑性弹性体(TPE)材料,既有橡胶的弹性和抗冲击性能,又保留了聚酰胺树脂的强度、韧性和耐磨性。相比较于其他TPE材料,TPAE虽然发展得较晚,但由于其可加工性和性能之间的良好的平衡,已成为近年来发展较为迅速的弹性体材料。TPAE发泡材料具有更优异的回弹性、隔热性、低温抗冲击性能,广泛应用于鞋类、医疗、渗透和运动器材等领域。然而,以超临界CO2为发泡剂制备的TPAE泡沫,在熟化过程中,CO2扩散出泡孔的速度远远大于空气进入泡孔的速度,并且由于TPAE泡沫低的基体模量和熔体强度使得泡孔结构无法承受产生的负压,从而使泡沫收缩严重,也因此限制了TPAE发泡材料的实际应用。
事实上,为解决弹性体泡沫的收缩问题,学者们已经进行了大量的研究工作,主要可以通过提高弹性体材料基体刚度、引入复合发泡剂、形成开孔结构这几个方法来改善弹性体的收缩行为。相比较于前两种方法,开孔结构的形成允许发泡剂和空气自由通过,可以加速发泡剂与空气的交换速率,明显改善收缩,还能快速实现发泡产品尺寸的稳定性,并赋予泡沫优异的吸附性能。目前共混法是制备聚合物开孔泡沫最有效的方法之一。可以将不相容且熔体强度低的聚合物作为开孔剂与目标聚合物共混,也可以将无机填料作为开孔剂直接与聚合物复合。Chen等将聚乳酸(PLA)与聚丁二酸丁二醇酯(PBST)共混,不仅形成了开孔结构,还增强了泡孔壁的刚性,从而提高了PBST泡沫的尺寸稳定性。Harikrishnan等利用有机改性蒙脱土制备了高开孔率的热塑性聚氨酯(TPU)泡沫,不仅改善了泡沫的尺寸稳定性,还提高了泡沫的柔软度。
相比较于共混其他聚合物,采用无机填料混合时添加量极小,能在基本不改变弹性体泡沫力学性能的基础上,制备出高开孔率的泡沫材料。
综上所述,通过形成开孔结构可有效改善弹性体泡沫的收缩行为,但是关于弹性体开孔泡沫制备的相关报道很少。因此,本研究选择具有不同粒径、结构、表面张力的4种无机粒子,包括硅酸钙(CaSiO3)、滑石粉(Talc)、碳酸钙(CaCO3)以及硅灰石(WI),与TPAE混合,探究了不同无机粒子对TPAE/无机粒子复合物泡沫泡孔结构和尺寸稳定性的影响,从而深入分析了无机粒子促进泡沫开孔结构形成的基本机制。