超临界CO2在纤维增强复合材料熔体中的溶解和扩散行为

微孔发泡材料具有质轻、高性能等特点，被誉为21世纪的新型材料。目前微孔发泡的研究已从单一聚合物发展到复合材料。气体在聚合物中的溶解和扩散行为影响气泡成核和泡孔生长，进而影响微孔结构与尺寸。由于填充体(如纤维)一般以固体形态存在于聚合物熔体中，复合材料的界面结构与特性和填充体本身的结构与特性将影响气体的溶解和扩散行为。本项目拟分别采用玻璃纤维、木纤维和活性炭纤维等不同特性的纤维为填充体，主要考察复合材料界面结构和特性、纤维的多孔介质结构，多孔介质中CO2的吸附对超临界CO2在复合材料熔体中的溶解度和扩散速率的影响，分析、判断超临界CO2在复合材料熔体中的溶解状态和扩散途径，并基于超临界CO2在复合材料熔体中的溶解和扩散机理建立能描述其规律的模型。本研究涉及高粘、多相及多孔介质这一复杂物系中的传递，研究结果将为优化复合材料的微孔发泡过程、调控其泡孔结构提供理论依据和关键基础数据。

建立了超临界CO2在聚合物及其复合材料熔体中的溶解和扩散数据的测定方法，采用可视法测定聚合物在CO2中的溶胀度直接校正磁悬浮天平测定的表观溶解度从而获得实际溶解度和扩散系数。以与聚合物基体无相互作用的玻璃纤维和微米碳酸钙为填料，考察填料与界面结合情况对CO2在聚丙烯复合材料熔体中溶解行为的影响，并且流变数据和图像相结合分析CO2在复合材料熔体中的状态，结果表明在未界面改性中聚丙烯复合材料中，CO2溶解度随着填料含量的增加而增大；而在经过相容剂PP-g-MA改性后的聚丙烯复合材料中，CO2溶解度与其在纯聚丙烯中的溶解度基本一致，并不随着填料含量的增加而变化，这是由于无界面相容剂时复合材料存在界面空隙后，CO2聚集在空隙中导致溶解度的增大；而界面相容剂在无机填料和有机基体起桥梁作用，消除疗界面空隙，因此界面改性后CO2溶解度保持不变；对于界面改性后聚丙烯复合材料，可以直接采用Henry模型拟合CO2溶解度，而对于在未界面改性的复合材料，可采用空隙体积修正的Henry模型拟合CO2溶解度。另外，发现界面改性后填充高度结晶的木纤维对CO2在聚合物复合材料熔体中的溶解行为不产生影响，与玻璃纤维类似。以球形颗粒的碳酸钙为填料代替尺度较大、结构复杂的纤维填料，考察了填料尺寸对聚丙烯复合材料溶解扩散行为的影响，结果表明CO2溶解度和扩散系数在纳米级填料的复合材料中随着填料含量的增大而增大，而随着微米填料含量的增大而减小；流变结果说明，纳米填料的加入增大了体系的自由体积，而微米填料的加入减小了自由体积，因此导致不同尺度的填料对溶解扩散行为的不同影响；基于自由体积理论，并考虑不同填料尺寸的影响，分别建立了扩散模型，对于微米级填料，引入反映扩散路径增长率的曲折因子τ修正扩散系数；对于纳米级填料，引入润滑因子β修正扩散系数，模型计算或模拟结果与实验值相吻合。以碳纤维为填料考察了具有CO2吸附特性的填料对CO2在聚丙烯纤维复合材料熔体中的溶解度和扩散速率的影响，结果表明由于碳纤维的吸附作用，导致CO2溶解度和扩散系数随着填料含量的增大而增大；对于聚丙烯碳纤维复合材料，建立了Langmuir吸附方程校正的亨利定律拟合溶解度，引入了一个与吸附特性填料含量成正比的驱动力系数w校正了扩散系数的自由体积模型。研究结果对优化和模拟聚丙烯复合材料的CO2发泡过程提供了基础数据和依据。