（流体机械及工程专业论文）高阻隔性复合材料微纳层叠制备装置及其性能的研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号t q 3 2 学科分类号 4 7 0 3 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 7 3 7密级公开 学位授予单位 1 0 0 1 0 学位授予单位 北京化工大学 代码 名称 作者姓名 王乾学号 2 0 0 9 0 0 0 7 3 7 获学位专业名 流体机械及工程 获学位专业代 0 8 0 7 0 4 称 t 码 高分子材料成型 课题来源自选 研究方向 加工 论文题目高阻隔性复合材料徵纳层叠制备装置及其性能的研究 关键词微纳米，层叠，m o l d e x 3 d ，阻隔性能 2 0 1 2 年5 月2 5 论文答辩日期论文类型 应用研究 日 学位论文评阁及答辩委员会情况 姓名职称工作单位 学科专长 副研究 指导教师丁玉梅北京化工大学高分子材料先进制造 员 聚合物加工原理及 评阅人1杨卫民教授北京化工大学 设备 评阅人2何雪涛副教授北京化工大学机电一体化 答辩委员会主 李培杰 教授清华大学 轻金属材料的研究 席开发 轻金属材料的研究开 答辩委员1李培杰教授清华大学 发 聚合物加工原理及 答辩委员2杨卫民教授北京化工大学 设备 机械控制和塑料机 答辩委员3张亚军教授北京化工大学 械 副研究 答辩委员4谢鹏程北京化工大学高分子材料先进制造 员 聚合物加工原理及设 答辩委员5马秀清副教授北京化工大学 备 答辩委员6杨于光副教授北京化工大学塑料机械 答辩委员7李翱讲师北京化工大学聚合物成型装备 聚合物加工理论及设 答辩委员8 何红副教授北京化工大学 备 答辩委员9毕超副教授北京化工大学橡塑加工 答辩委员1 0党开放讲师北京化工大学机电系统控制理论 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与 代码中查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 高阻隔性复合材料微纳层叠制备装置及其性能的研究 摘要 高分子材料以其密度小、容易加工、价格低以及不易破碎等优点， 近年来被大量地应用于食品、药品、农药等领域，阻隔复合材料制品得 到了快速的发展。可以通过表面处理技术、多层复合技术、层状共混技 术等来制备阻隔复合材料，近年开发出了微纳层叠制备技术，对不同种 类和性能的高分子材料共挤出之后通过不断的分割和叠合，制备出复合 材料，具有交替层叠结构，从而获得良好的阻隔性能。微纳层叠制备技 术近年来已经有了快速的发展，但现有方法还存在层叠器结构复杂、高 分子材料熔体流动不均匀、分层效率低等不足。 本文从创新层叠器原理出发，开发了一种采用熔体扭转方法制备高 阻隔性层叠复合材料的新装置，通过高分子材料熔体在层叠器中发生分 割9 0 。扭转汇流实现叠层复合，层叠器设计及制造工艺简单，对称的流 道使得熔体流动更加均匀，创新的流道结构提高了分层效率。对加工好 的微纳层叠设备进行了安装调试，通过实验验证了微纳层叠制备装置可 以生产出具有明显交替层叠结构的复合材料，层的厚度可以通过螺杆转 速调控，层数可以通过层叠器的个数调控。 使用微纳层叠制备装置，进行了2 层、8 层、3 2 层数时e v o h + p p p p 、 e v o h p p 、h d p e p a 6 、h d p e m m t 体系微纳层叠挤出的实验，研究微 纳层叠作用与阻隔性能之间的关系。测试复合材料的阻隔性能，发现 e v o h + p p p p 体系随着层数的增加阻隔性能也在增加，e v o h p p 、 h d p e p a 6 体系随着层数的增加并未增加，h d p e m m t 体系随着层数的 t 北京化工大学硕士学位论文 增加阻隔性能也没有发生增加。对复合材料断面进行电镜扫描，发现 e v o h + p p p p 体系在层叠器的拉伸作用下e v o h 发生了形态的变化， 从而使得复合材料阻隔性能提高；e v o h p p 、h d p e p a 6 体系在层叠作 用下阻隔性能并没有提高，可能是由于厚度变化过程中阻隔材料层的破 坏影响实验结果；h d p e m m t 体系中由于m m t 与h d p e 之间的相容 性较差，层叠未能使得m m t 发生剥离和分散，所以未能提高复合材料 的阻隔性能。 在实验中，发现新型微纳层叠制备装置存在着熔体压力降大等需要 改进的地方。本文使用m o l d e x 3 d 软件对高分子材料熔体在层叠器流道 中的流动进行了模拟分析，分析了层叠器流道沿挤出方向长度、流道入 口出口中心间距、流道入口出口截面变化等结构尺寸因素与熔体压力降 之间的关系，为制备出熔体压力降更小的层叠器奠定了基础。阻隔性能 的测试需要样品的厚度在2 m m 以下，但是层叠器流道中熔体厚度是 1 0 m m ，喇叭口模在不破坏复合材料层叠结构时，使得厚度均匀变小， 使用m o l d e x 3 d 软件对喇叭口模中高分子材料熔体流动进行分析并修改 结构，制造出熔体流动前沿均匀的喇叭口模。 关键词：微纳米，层叠，m o l d e x 3 d ，阻隔性能 a b s t r a c t t h es t u d yo fh i g hb a r r i e rc o m p o s i t e c r o n a n ol a m i n a t e dp r e n u r a t i o nd e c e a n dp r o p e i 汀y a b s t r a c t p o l y m e rm a t e r i a l sp l a y a ni n c r e a s i n g l y i m p o r t a n tp a r t i nv a r i o u s f i e l d s t h e r ea r ew i d e l yu s e di nt h ep a c k a g i n go ff o o d ，m e d i c i n e ，p r e c i s i o n i n s t r u m e n t sa n df i n ec h e m i c a l s ，a n dt h eb a r r i e rc o m p o s i t ep r o d u c t sa r e d e v e l o p e dq u i c k l y b a r r i e rc o m p o s i t em a t e r i a l sp r e p a r a t i o nm e t h o di n c l u d e s s u r f a c et r e a t m e n tt e c h n o l o g y , a n dm u l t i l a y e rc o m p o s i t et e c h n o l o g y , l a m i n a r b l e n d i n gt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，t h em i c r o - n a n ol a m i n a t e dp r e p a r a t i o n t e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e d ，d i f f e r e n tt y p e sa n dp r o p e r t i e so fp o l y m e r m a t e r i a l sa r ec o n t i n u o u s l yc u t t e da p a r ta n ds u p e r i m p o s e da f t e rc o - e x t r u s i o n ， i tc a nb ep r o d u c e da l t e r n a t i n gm u l t i l a y e rc o m p o s i t em a t e r i a l sw i t hh i g h b a r r i e r m i c r o n a n ol a m i n a t e d p r e p a r a t i o n m e t h o dh a sm a d er a p i d l y d e v e l o p m e n t i nr e c e n t y e a r s ，b u t t h e e x i s t i n gt e c h n o l o g y a l s oh a s i n s u f f i c i e n t c e ，s u c ha sc o m p l e xs t r u c t u r e ，t h eu n e v e np o l y m e rm e l tf l o wa n d l o wh i e r a r c h i c a le f f i c i e n c y f r o mt h ei n n o v a t i o no fl a m i n a t e dd e v i c ep r i n c i p l e ，t h ea r t i c l ed e v e l o p s an e wp r e p a r a t i o nd e v i c ef o rh i g hb a r r i e rl a m i n a t e dc o m p o s i t em a t e r i a l s a p p l y i n gt h et o r s i o no fp o l y m e rm e l t b yt h es e g m e n t a t i o n 一9 0d e g r e e s 北京化工大学硕士学位论文 r e v e r s e c o n f l u e n c ei nl a m i n a t e dd e v i c e ，t h e p o l y m e r m e l tr e a l i z et h e l a m i n a t e dc o m p o s i t e t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fl a m i n a t e d d e v i c ei ss i m p l e ，s y m m e t r i cc h a n n e lm a k e st h em e l tf l o wm o r eu n i f o r m ， i n n o v a t i v ec h a n n e ls t r u c t u r e i m p r o v e t h e s l i c i n ge f f i c i e n c y b y t h e i n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n go fm a c h i n e dm i c r o n a n ol a m i n a t e dp r e p a r a t i o n d e v i c e ，t h em i c r o - n a n ol a m i n a t e dp r e p a r a t i o nd e v i c ec a np r o d u c ec o m p o s i t e m a t e r i a l sw i t ho b v i o u sa l t e r n a t e l yl a m i n a t e ds t r u c t u r e t h et h i c k n e s so ft h e l a y e rc a nc o n t r o l l e db yt h es c r e ws p e e d ，p l i e sc a nc o n t r o l l e db yn u m b e ro f l a m i n a t e dd e v i c e m a k et h em i c r o n a n ol a m i n a t e de x t r u s i o ne x p e r i m e n to f2l a y e r s ，8 l a y e r s a n d3 2l a y e r s s y s t e mo fe v o h + p p p p ：e v o h p p , h d p e p a 6 ， h d p e m m tu s i n gt h em i c r o n a n ol a m i n a t e dp r e p a r a t i o nd e v i c et os t u d yt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i c r o - n a n om u l t i l a y e rf u n c t i o na n db a r r i e rp r o p e r t y b yt e s t i n gt h eb a r r i e rp r o p e r t yo fc o m p o s i t e ，i ti sf o u n dt h a tt h eb a r r i e r p r o p e r t yo fe v o h + p p p ps y s t e mi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fl a y e r , t h e b a r r i e rp r o p e r t i yo fe v o h p p , h d p e p a 6d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f l a y e r , t h e b a r r i e r p r o p e r t y o fh d p e m m ts y s t e md e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo fl a y e r m a k e s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p es e m f o r t h e c o m p o s i t es e c t i o n ，i t i sf o u n dt h ee v o hi nt h ee v o h + p p p ps y s t e m p r o d u c e sm o r p h o l o g i c a lc h a n g e su n d e r t h ee f f e c ti nt h es t a c k e rs t r e t c h i n g ，s o t h a tt h eb a r r i e rp r o p e r t yo fc o m p o s i t em a t e r i a le n h a n c e t h eb a r r i e rp r o p e r t y o fe v o h p pa n dh d p e p a 6s y s t e md on o ti n c r e a s eu n d e rt h es t a c ke f f e c t ， i v a b s t r a c t m a yb et h eb a r r i e rm a t e r i a ll a y e rd a m a g eb e c a u s eo ft h et h i c k n e s sc h a n g e s e f f e c t se x p e r i m e n t a lr e s u l t s b u ti tw i l lr e d u c et h el i k e l i h o o do ft h ed e c r e a s e o fb a r r i e rp r o p e r t yb yr u p t u r e ，a tt h es a m et i m ei ti n c r e a s e st h em e c h a n i c a l p r o p e r t yo fc o m p o s i t em a t e r i a l s d u et op o o rc o m p a t i b i l i t yb e t w e e nm m t a n dh d p ei nh d p e m m ts y s t e m ，l a m i n a t e df a i l e dt om a k em m t s t r i p p i n g a n dd i s p e r s e ds oa st oe n h a n c et h eb a r r i e rp r o p e r t yo ft h er o l e i nt h e e x p e r i m e n t ，i ti sf o u n dt h a tn o v e lm i c r o n a n ol a m i n a t e dp r e p a r a t i o nd e v i c e h a st h em e l tp r e s s u r ed r o pa n do t h e r p l a c e st h a tn e e d t ob ei m p r o v e d t h i sp a p e rs i m u l a t et h ep o l y m e rm e l ti nt h el a m i n a t e dd e v i c ep r i n c i p l e u s i n gt h em o l d e x 3 ds o f t w a r ea n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e l tp r e s s u r e d r o pa n ds t r u c t u r ed i m e n s i o nf a c t o r s ，s u c ha st h es t a c k e rp a s s a g ea l o n gt h e e x t r u s i o nd i r e c t i o n ，l e n g t ho fe n t r a n c ec h a n n e lo u t l e tc e n t e r d i s t a n c e ， c h a n n e le n t r a n c ee x i ts e c t i o nc h a n g e s ，l a yaf o u n d a t i o nf o rl a m i n a t e dd e v i c e p r i n c i p l ew i t hs m a l l e rm e l tp r e s s u r ed r o p t h et e s to fb a r r i e rp r o p e r t yn e e d t h e s a m p l et h i c k n e s sb e l o w2 m m ，b u ts t a c k e rc h a n n e lm e l tt h i c k n e s s i slo m m ，w i t h o u td a m a g i n gt h ec o m p o s i t el a m i n a t e ds t r u c t u r e ，m o u t hm o l d m a k et h et h i c k n e s sb e c o m es m a l lu n i f o r m i t y u s em o l d e x 3 ds o f t w a r et o a n s l s i st h ep o l y m e rm e l tf l o wo nt h eb e l lm o u t hm o l da n dm o d i f yt h e s t r u c t u r e ，m a n u f a c t u r eb e l lm o u t hd i ew i t hu n i f o r mm e l tf l o wf r o n t k e yw o r d s ：m i c r on a n o ，l a m i n a t e d ，m o l d e x 3 d ，b a r r i e r p r o p e r t i e s v 原书空白页 不缺内容 目录 目录 第一章绪论1 1 1 前言1 1 2 阻隔材料概述2 1 2 1 阻隔材料定义。2 1 2 2 高分子材料阻隔性能的分类。3 1 2 3 高分子材料阻隔性能的表征4 1 2 4 常用的阻隔性高分子材料5 1 3 阻隔复合材料传统制备方法6 1 3 1 表面处理技术。6 1 3 2 多层复合技术7 1 3 3 层状共混技术7 1 4 微纳层叠技术7 1 4 1 微纳层叠技术介绍一7 1 4 2 微纳层叠技术最新进展8 1 5 课题研究意义和研究内容1 0 第二章新型微纳层叠制备方法原理及设备1 3 2 1 新型层叠器单元1 3 2 1 1 新型层叠器单元原理1 3 2 2 微纳层叠制备装置1 6 2 3 微纳层叠装置层叠实验1 7 2 3 1 实验原料与装置18 2 3 2 实验过程18 2 3 3 实验结果18 2 4 本章小结2 0 第三章微纳层叠阻隔性能实验。2 1 3 1e v o h + p p p p 体系2 1 3 1 1 实验2 2 3 1 2 结果与讨论2 3 3 2e v o h p p 体系2 6 v i i 北京化工大学硕士学位论文 3 2 1 实验一2 6 3 2 2 结果与讨论2 8 3 3h d p e p a 6 体系2 9 3 3 1 实验2 9 3 3 2 结果与讨论31 3 4h d p e m m t 体系3 3 3 4 1 实验3 3 3 4 2 结果与讨论3 5 3 5 本章小结3 7 第四章微纳层叠设备流道模拟分析3 9 4 1 前言3 9 4 2 层叠器流道的模拟3 9 4 2 1 流道长度与压力降关系4 0 4 2 2 流道入口出口中心距与压力降关系4 3 4 2 3 入口出口截面变化与压力降关系4 6 4 3 一种新型层叠器结构4 9 4 3 1 层叠器流道模型5 l 4 3 2 结果与分析5 1 4 4 喇叭口模结构优化5 3 4 4 1 建立模型5 3 4 4 2 结果与分析5 5 4 5 本章小结6 0 第五章总结及展望6 1 5 1 课题工作总结6 1 5 2 研究工作展望6 2 致谢。6 3 参考文献6 5 研究成果及发表的学术论文6 5 v i i i 目录 作者和导师简介6 9 原书空白页 不缺内容 c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n - 1 1 1p r e f a c e 1 1 2t h eb a r r i e rm a t e r i a lo v e r v i e w 2 1 2 1t h eb a r r i e rm a t e r i a ld e f i n i t i o n ”2 1 2 2t h ec l a s s i f i c a t i o no f p o l y m e rb a r r i e rp r o p e r t y “3 1 2 3t h ec h a r a c t e r i z a t i o no f p o l y m e rb a r r i e rp r o p e r t y 4 1 2 4c o m m o np o l y m e rm a t e r i a l sw i t hb a r r i e rp r o p e r t y ”5 1 3t h et r a d i t i o n a lp r e p a r a t i o nm e t h o do f b a r r i e rc o m p o s i t e 6 1 3 1s u r f a c et r e a t m e n tt e c h n o l o g y 6 1 3 2m u l t i l a y e rc o m p o s i t et e c h n o l o g y 7 1 3 3l a m i n a rb l e n d i n gt e c h n o l o g y 。7 1 4m i c r o n a n ol a m i n a t i o nt e c h n o l o g y 7 1 4 1t h ei n t r o d u c t i o no f m i c r o n a n ol a m i n a t i o nt e c h n o l o g y 7 1 4 2t h el a t e s tp r o g r e s so f m i c r o n a n ol a m i n a t i o nt e c h n o l o g y 一8 1 5r e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c hc o n t e n t s 10 c h a p t e r2n o v e lm i c r o - n a n ol a m i n a t e dp r e p a r a t i o nm e t h o dp r i n c i p l ea n d e q u i p m e n t 1 3 2 1n o v e ll a m i n a t e du n i t 1 3 2 1 1n o v e ll a m i n a t e du n i tp r i n c i p l e 13 2 2m i c r o n a n ol a m i n a t e dp r e p a r a t i o nd e v i c e 1 6 2 3m i c r o n a n ol a m i n a t e dd e v i c ec a s c a d ee x p e r i m e n t 17 2 3 1t h ee x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa n dd e v i c e 1 8 2 3 2t h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s 1 8 2 3 3t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s 18 2 4c h a p t e rs u m m a r y 2 0 c h a p t e r3t h e m i c r o n a n ol a m i n a t e db a r r i e rp r o p e r t i e se x p e r i m e n t ：1 1 ：；1e v o h + p p p p s y s t e m 2 1 3 1 1e x p e r i m e n t 2 2 x i 北京化工大学硕士学位论文 3 1 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 2 3 3 2e v o h p ps y s t e m 2 6 3 2 1e x p e r i m e n t 2 6 3 2 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 2 8 3 3h d p e p a 6s y s t e r n 。2 9 3 3 1e x p e r i m e n t 2 9 3 ：；2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 31 3 4h d p e 瓜压m ts y s t e m 3 3 3 4 1e x p e r i m e n t 3 3 3 4 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n ：；! ； 3 5c h a p t e rs u m m a r y 3 7 c h a p t e r4t h em i c r o - n a n ol a m i n a t i n ge q u i p m e n tf l o ws i m u l a t i o na n a l y s i s 3 9 4 1p r e f a c e 3 9 4 2t h es i m u l a t i o no f f l o wi nl a m i n a t e dd e v i c ec h a n n e l 3 9 4 2 1t h er e l a t i o n s h i po fl e n g t ho ft h ef l o wc h a n n e la n dt h ep r e s s u r ed r o p 4 0 4 2 2t h er e l a t i o n s h i po fc h a n n e le n t r a n c ee x i tc e n t e rd i s t a n c ea n dp r e s s u r ed r o p 4 3 4 2 3t h er e l a t i o n s h i po fe n t r a n c ee x i ts e c t i o nc h a n g ea n dp r e s s u r ed r o p 4 6 4 3n o v e ll a m i n a t e ds t r u c t u r e 4 9 4 3 1s t a c k e rc h a n n e lm o d e l 51 4 ：；2r e s u l t sa n da n a l y s i s 5 1 4 4t h eo p t i m i z a t i o no f b e l lm o u t hd i es t r u c t u r e 5 3 4 4 1m o d e lb u i l d i n g 5 3 4 4 2r e s u l t sa n da n a l y s i s 5 5 4 5c h a p t e rs u m m a r y 6 0 c h a p t e r5t h es u m m a r a y a n dp r o s p e c t s 6 1 5 1t h es u m m a r yo f r e s e a r c hw o r k 6 1 5 2o u t l o o ko f t h er e s e a r c h 6 2 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 3 x i i c o n t e n t s r e f e r e n c e s t ；! ； r e s e a r c ha n dp u b l i s h e d p a p e r s 6 5 a u t h o ri n t r o d u c t i o n 6 9 原书空白页 不缺内容 符号说明 p v d c e v o h p a p e t p v a p p p e h d p e m 【m t t p q d 卸 p v w v t s e m 符号说明 聚偏二氯乙烯的缩写 乙烯乙烯醇共聚物的缩写 聚酰胺p o l y a m i d e 的缩写 聚对苯二甲酸乙二醇酯的缩写 聚乙烯醇的缩写 聚丙烯p o l y p r o p y l e n e 的缩写 聚乙烯p o l y e t h y l e n e 的缩写 高密度聚乙烯 蒙脱土的缩写 温度， 气体渗透系数 气体透过量 厚度 是压力差 水蒸汽透过系数 水蒸气透过量 扫描电子显微镜 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 与玻璃、金属材料等包装材料相比较，高分子材料具备密度小、容易加工、价 格低、不易腐蚀以及不易破碎等优点，如图1 - 1 所示，高分子材料近年来被大量地 应用于食品、药品、农药等领域1 1 。 图1 - 1 高分子材料在日常生活中的应用 f i g 1 - 1t h ea p p l i c a t i o no f p o l y m e rm a t e r i a l si nt h el i f e 但是通常而言，高分子材料对有机溶剂和湿气、氧气等的阻隔效果比较差，这 就使得高分子材料在包装行业的应用受到限制。伴随着人们对生活要求的提高，人 们的需求已经不能由传统性能的高分子材料包装制品得到满足，需要开发出具有更 加优异性能的包装产品，因此开发出了阻隔性高分子材料包装。各种食品比如乳制 品、肉食等对包装制品的需求越来越大，医药产品对质量的要求也越来越高，确保 在运输、储藏的过程中保持包装物不变质，延长保质期和货架的寿命。此外，高阻 隔性包装材料还广泛地应用在化妆品、茶叶、香料、农药产品的包装，因此高阻隔 性能的高分子材料包装产品已经成为了近年来各国研究的热点【2 1 。在对高分子材料 的阻隔原理进行研究之后，一方面用化学的方法合成阻隔性能更加优异的高分子材 北京化工大学硕士学位论文 料，另一方面把阻隔性高分子材料与普通高分子材料制备具有综合性能的复合材料 制品。 1 2 阻隔材料概述 1 2 1 阻隔材料定义 高分子材料的阻隔性能是针对相应的穿透对象而言的，一般是指高分子材料屏 蔽水蒸气、c 0 2 、0 2 、有机物等小分子穿透的能力【3 j ，即高分子材料阻挡相应的穿 透物质从一侧渗透通过到达另一侧( 通常而言