扭转挤出技术制备再生碳纤维增强聚苯乙烯化学发泡复合材料

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.08.012

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (8): 88-93.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.08.012

扭转挤出技术制备再生碳纤维增强聚苯乙烯化学发泡复合材料

鉴冉冉¹^,³(), 杨卫民², MOHINI Sain³

^1.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061
^2.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
^3.多伦多大学机械与工业工程系，生物复合材料及生物质材料加工中心，安大略省多伦多 M5S 3B3

收稿日期:2021-03-01 出版日期:2021-08-26 发布日期:2021-08-27

Study on Chemical Foaming Properties of Recycled⁃Carbon⁃Fiber⁃Reinforced Polystyrene Through Torsion Extrusion

JIAN Ranran¹^,³(), YANG Weimin², MOHINI Sain³

^1.College of Electromechanical Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266061，China
^2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^3.Centre for Biocomposites and Biomaterial Processing，Department of Mechanical and Industrial Engineering，University of Toronto，Toronto M5S 3B3，Canada

Received:2021-03-01 Online:2021-08-26 Published:2021-08-27
Contact: JIAN Ranran E-mail:jianrr@foxmail.com

摘要/Abstract

摘要：

采用再生碳纤维（RCF）作为增强体和成核剂及扭转挤出技术制备了聚苯乙烯（PS）/RCF为主体成分的硬质泡沫，利用三维（3D）层析成像技术、电子显微镜等对泡沫材料的微观结构、泡孔形态进行了研究。结果表明，在扭转挤出过程中，聚合物熔体产生了扭转螺旋流动，使纤维充分分散并沿流动方向取向；并且改善了整个体系的混合和温度性能，使得泡孔形态整体较为均匀；此外，泡沫质量受到机头温度的影响，且当机头温度高于180 ℃时，制品表面变得凹凸不平，气体发生逃逸现象；RCF的加入，会使气泡会沿着RCF取向方向生长，但是添加过多的RCF，会影响气泡成核。

关键词: 再生碳纤维, 聚苯乙烯, 化学发泡, 复合材料, 泡孔形态

Abstract:

Polystyrene composite foams were prepared with a torsion extrusion technology using reclaimed carbon fiber as reinforcement and nucleating agent. The microstructure and morphology of the foams were reconstructed using X?ray Micro?Computed 3D yomograph and scanning electron microscope. The results indicated that a twist spiral flow occurred in the polymer melt during the process of torsion extrusion， which made the fiber disperse uniformly and orient along the flow direction. The mixing and temperature properties of the whole system were improved with the torsion extrusion， and the cell morphology became more uniform. In addition， the quality of the foam was affected by the die temperature. When the die temperature was higher than 180 °C， the surface of the products became uneven and the phenomenon of gas escaping was observed. With the addition of reclaimed carbon fibers， the bubble tended to grow along the fiber direction. However， the bubble nucleation will be inhibited when the fiber content is too high.

Key words: reclaimed carbon fiber, polystyrene, chemical foaming, foam, cell morphology

中图分类号:

TQ327.3

鉴冉冉, 杨卫民, MOHINI Sain. 扭转挤出技术制备再生碳纤维增强聚苯乙烯化学发泡复合材料[J]. 中国塑料, 2021, 35(8): 88-93.

JIAN Ranran, YANG Weimin, MOHINI Sain. Study on Chemical Foaming Properties of Recycled⁃Carbon⁃Fiber⁃Reinforced Polystyrene Through Torsion Extrusion[J]. China Plastics, 2021, 35(8): 88-93.

图/表 13

图1 扭转挤出螺杆

Fig.1 Torsion extrusion screw

样品编号	PS/%	CBA/%	CaCO₃/%
1^#	90	10	?
2^#	89.5	10	0.5

表1 母料配比

Tab. 1 Ratio and dosage of masterbatch

图2 扭转新结构及扭转流动模拟

Fig.2 Torsion screw configuration and torsional flow

图3 RCF纤维长度分布

Fig.3 Length distribution of RCF

图4 RCF在未发泡树脂中的取向分布

Fig.4 Orientation distribution of RCF in non?expanded polymers

图5 不同机头温度时挤出泡沫样品的微观泡孔形貌

Fig.5 Microscopic 3D view of foams at different die temperature

图6 不同机头温度时挤出泡沫样品的SEM照片

Fig.6 SEM images of foams at different die temperature

图7 不同机头温度时样品的泡孔尺寸和泡孔密度

Fig.7 Cell size and cell density of foams at different die temperature

性能	纯PS	机头温度/℃
性能	纯PS	160	170	175	180	190
密度/g·cm^-3	1.034	0.480	0.478	0.483	0.467	0.463
发泡倍率	-	2.153	2.161	2.139	2.214	2.232
孔隙率	-	0.535	0.537	0.532	0.548	0.552

表2 不同机头温度时样品的密度、发泡倍率和孔隙率

Tab. 2 Density， volume expansion rate and void fraction of foams at different die temperature

图8 不同成核剂制备泡沫的微观三平面视图注：体积为10003像素，像素大小为（1.745 μm）3

Fig.8 Microscopic three?plane view of foams with different nucleating agents

图9 不同成核剂及添加量条件下挤出泡沫样品的SEM照片

Fig. 9 SEM images of foams with different nucleating agents

图10 不同成核剂下泡沫的泡孔直径和泡孔密度

Fig.10 Cell size and cell density of foams with different nucleating agents

性能	成核剂
性能	无	0.05% CaCO₃	1 %RCF	5 %RCF
密度/g·cm^-3	0.478	0.477	0.538	0.743
发泡倍率	2.161	2.167	1.923	1.392
孔隙率	0.537	0.539	0.480	0.281

表3 不同成核剂下的制品密度、发泡倍率和孔隙率

Tab. 3 Density， volume expansion rate and void fraction of foams with different nucleating agents

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