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無(wú)機(jī)粒子對(duì)TPAE界面張力、發(fā)泡、抗收縮行為的影響（三）

來(lái)源：《北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》瀏覽 1107 次發(fā)布時(shí)間:2024-11-14

2、結(jié)果與討論

2.1 TPAE/無(wú)機(jī)粒子復(fù)合物的相形態(tài)

TPAE/無(wú)機(jī)粒子復(fù)合物的微觀結(jié)構(gòu)特性主要由無(wú)機(jī)粒子在基體中的分散性決定，為了評(píng)估不同無(wú)機(jī)粒子在TPAE基體中的均勻分散程度及其與TPAE的相容性，通過(guò)SEM表征了不同TPAE/無(wú)機(jī)粒子復(fù)合物的斷面形態(tài)，如圖2所示。可以觀察到，純TPAE呈現(xiàn)出光滑平坦的斷面形貌；而在Talc加入的復(fù)合材料中，Talc以片層結(jié)構(gòu)嵌入TPAE基體，顯示出較高的相容性，盡管其分布密度相對(duì)較低且在均勻性方面存在不足。

圖2 TPAE/無(wú)機(jī)粒子復(fù)合物表面形貌的SEM圖

對(duì)比之下，含有CaSiO3、CaCO3、WI無(wú)機(jī)粒子的TPAE復(fù)合材料展示出典型的兩相形態(tài)，這些粒子在TPAE基體中的均勻分散揭示了TPAE與這3種無(wú)機(jī)粒子之間在熱力學(xué)上的不相容性。值得注意的是，相比較于TPAE-2CaCO3和TPAE-2WI，TPAE-2CaSiO3復(fù)合材料的斷面形貌中的CaSiO3粒子表現(xiàn)出明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，這可歸因于CaSiO3獨(dú)特的多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)，使得在含量增加時(shí)，粒子間相互碰撞并傾向于結(jié)合，容易形成更大的聚集體，使得CaSiO3粒子尺寸顯著大于其他兩種無(wú)機(jī)粒子。

為深入評(píng)估4種無(wú)機(jī)粒子與TPAE之間的相容性，本研究采用界面張力儀、接觸角儀計(jì)算了4種無(wú)機(jī)粒子與TPAE之間的界面張力，以定量分析其相容性。如圖3所示，可以看出，Talc與TPAE之間的界面張力為0.82 mN/m，表明二者相互作用力較強(qiáng)，能夠更好地相互滲透和混合，反映出二者之間存在良好的相容性。

相比之下，CaSiO3與TPAE、WI與TPAE的界面張力分別達(dá)到8.72 mN/m和14.5 mN/m，大約為T(mén)alc的10~15倍，高界面張力通常導(dǎo)致物質(zhì)間的相分離，表明CaSiO3和WI與TPAE之間存在明顯的不相容。而CaCO3與TPAE的界面張力雖低于CaSiO3和WI，但仍高于Talc，表明CaCO3與TPAE的相容性位于中間。

2.2 TPAE/無(wú)機(jī)粒子復(fù)合物的發(fā)泡行為

基于聚合物的熔體黏彈性和熔體強(qiáng)度在很大程度上受到溫度的影響，發(fā)泡溫度對(duì)發(fā)泡性能的影響顯著，在不同溫度下對(duì)不同TPAE/無(wú)機(jī)粒子復(fù)合物進(jìn)行了發(fā)泡實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)溫度為185℃時(shí)，TPAE復(fù)合物泡沫具有最佳的泡孔結(jié)構(gòu)，因此后續(xù)的分析討論也是基于這個(gè)溫度。通過(guò)SEM表征了185℃下不同粒子含量TPAE/無(wú)機(jī)粒子復(fù)合物泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖4所示，圖5則展示了不同TPAE/無(wú)機(jī)粒子復(fù)合物泡沫的泡孔直徑與密度。結(jié)果表明，純TPAE泡沫呈現(xiàn)出明顯的泡孔坍塌合并現(xiàn)象，4種無(wú)機(jī)粒子的添加都明顯改善了TPAE泡沫泡孔的破裂情況，泡孔結(jié)構(gòu)均勻，泡孔直徑明顯降低，泡孔密度大幅提升，這是由于4種無(wú)機(jī)粒子都起到了異相成核效應(yīng)。

其中，相比較于Talc，CaCO3、CaSiO3、WI這3種無(wú)機(jī)粒子對(duì)于TPAE泡沫泡孔結(jié)構(gòu)的改善效果更為顯著，具有更高的泡孔密度。這是因?yàn)楦鶕?jù)異相成核理論公式（7）

圖3無(wú)機(jī)粒子與TPAE的界面張力

圖4 185℃下TPAE/無(wú)機(jī)粒子泡沫泡孔結(jié)構(gòu)的SEM圖

圖5 TPAE/無(wú)機(jī)粒子復(fù)合物泡沫的泡孔直徑與密度

其中，Pcell是泡孔中的氣體壓力，Pa；Psys是周?chē)到y(tǒng)的壓力，Pa；A是表面積，m2；σ是界面張力，mN/m；l、g、s分別表示熔體、氣體和固體相。

在其他條件相近的情況下，泡孔成核的活化能壘?Ghet主要受聚合物和添加劑之間的界面張力σsl影響。與Talc相比，這3種無(wú)機(jī)粒子與TPAE具有更高的界面張力，導(dǎo)致兩相界面處的成核能壘降低。

此外，CO2傾向于聚集在不相容的兩相界面處，其濃度的增加會(huì)進(jìn)一步降低界面處的泡孔成核能壘，加速異相成核速率，促進(jìn)泡孔的形成。其中TPAE/WI復(fù)合物泡沫由于具有最高的界面張力而展現(xiàn)出最高的泡孔成核數(shù)。

2.3 TPAE/無(wú)機(jī)粒子復(fù)合物泡沫的開(kāi)孔機(jī)制

根據(jù)TPAE/無(wú)機(jī)粒子復(fù)合物泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)圖可以看出，相比較于純TPAE泡沫的閉孔結(jié)構(gòu)，無(wú)機(jī)粒子的添加明顯促進(jìn)了TPAE泡沫泡孔的打開(kāi)。為詳細(xì)探究無(wú)機(jī)粒子的開(kāi)孔機(jī)制，使用真密度儀對(duì)不同TPAE/無(wú)機(jī)粒子復(fù)合物泡沫的開(kāi)孔率進(jìn)行了測(cè)試，如圖6所示。無(wú)機(jī)粒子的添加都提高了TPAE泡沫的開(kāi)孔率，表明無(wú)機(jī)粒子的加入是影響開(kāi)孔率的關(guān)鍵因素。基于TPAE和TPAE/CaSiO3復(fù)合物泡沫中的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)分析無(wú)機(jī)粒子對(duì)復(fù)合物泡沫開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的影響（以CaSiO3為例），如圖7所示。可以看出，純TPAE泡沫主要出現(xiàn)泡孔壁上，且形成的孔比較規(guī)則，這是由于純TPAE熔體強(qiáng)度低，泡孔壁容易破裂。而TPAE/CaSiO3復(fù)合物泡沫的開(kāi)孔主要發(fā)生在泡孔的內(nèi)壁以及幾個(gè)泡孔的相交處上，這是因?yàn)樵谂菘咨L(zhǎng)過(guò)程中，由于CaSiO3的非均相成核，泡孔在CaSiO3分散相周?chē)珊松L(zhǎng)，形成花狀的泡孔結(jié)構(gòu)，而TPAE與無(wú)機(jī)粒子的相容性差，使得CaSiO3從泡孔壁上脫落，留下不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致泡孔間相互連接。其他3種TPAE/無(wú)機(jī)粒子復(fù)合物泡沫的開(kāi)孔形式同TPAE/CaSiO3復(fù)合物泡沫一致。圖8展示了兩種與TPAE具有不同界面張力的粒子（以CaSiO3和Talc為例）的添加對(duì)復(fù)合物泡沫開(kāi)孔結(jié)構(gòu)形成的影響機(jī)制。