聚氟乙烯薄膜的制备工艺及性能研究

【摘要】聚氟乙烯(PVF)薄膜由于其超常的耐候性、良好的非粘附性以及电气性能,已越来越广泛的被应用于航天、航空、农业、建筑、食品包装等高新技术产业,目前又成为太阳能保护膜的首选材料。鉴于如此良好的应用前景,利用我国丰富的氟矿资源,优化国产聚氟乙烯树脂的性能,开发新的聚氟乙烯薄膜的制备工艺,并实现薄膜的国产化,进一步开拓薄膜的应用范围,不仅有助于发展国民经济,而且对于提高我国氟化工行业的技术水平,推动我国氟化工行业的复兴具有重要意义。本论文主要进行了以下几方面的研究：1、详细探讨了PVF树脂的分子结构、分子量、微观形态,以及树脂特性与加工性能之间的关系。NMR、XRD、FTIR、以及粘度测试结果表明：PVF在聚合过程中存在三种单体结合方式,即头—尾、头—头和尾—尾结合；聚合温度越高,头—头和尾—尾结合的缺陷越严重,链支化程度越高,导致分子量和结晶程度越低。热分析测试结果表明：随着分子量的增加,PVF的热分解温度提高,拉伸性能逐渐增加；而熔融温度则在分子量低于400,000的时候,增加比较明显,当分子量高于该临界值之后,熔融温度几乎保持不变。SEM测试结果表明：PVF树脂按照其颗粒的微观形态可分为三类,即疏松结构、紧密结构、以及介于其间的一种结构。结构越疏松,PVF的吸溶剂量越大,加工温度越低。2、采用实验设计的方法对薄膜的流延工艺及配方进行了优化,制备出性能优异的PVF流延薄膜。按照实验设计分析结果得知：当选用PVF—G型树脂,与100份N,N-二甲基甲酰胺(DMF)于室温下充分混合,再静置3h后得到的凝胶质量最佳；凝胶的熔融质量流动速率为20.2g/10min,平衡扭矩为3.7Nm。当挤出机机头温度为150℃,螺杆转速为200rpm,螺杆压缩比为4且前端带销钉头,冷却辊温度为15℃,热定型温度为170℃时制备出的流延薄膜的综合性能最好,拉伸强度为23.8MPa,伸长率为382%,透光率为92.4%。3、探讨了PVF流延薄膜的双向拉伸工艺及拉伸机理。通过拉伸测试可知：流延薄膜中溶剂的剩余含量是影响薄膜能否进一步拉伸的关键因素,当溶剂含量介于35-40%时,拉伸薄膜所需的外力最小,拉伸倍数最高。在薄膜中溶剂含量确定的前提下,结合PVF薄膜的双向拉伸机理,通过力学及热性能测试表明：膜片的纵向拉伸温度为120～135℃,拉伸比为2.5～3.0时,薄膜不会出现细颈现象,且所需拉伸应力较小；当横向拉伸温度控制在130～150℃,拉伸比为2.5～3.5时,BOPVF薄膜厚度介于23～28μm之间,且力学性能基本保持各向同性；双向拉伸后的薄膜经过170～180℃热定型之后,横、纵向收缩率均小于2%,具有良好的尺寸稳定性。4、探讨了含溶剂的半结晶聚合物PVF薄膜的干燥机理。通过对已知初始特征值(溶剂含量和结晶度)的PVF薄膜在不同的恒定温度下进行干燥,获得了干燥动力学曲线,证实了干燥温度越高,初始结晶度越低的薄膜中,溶剂的挥发速率越高。采用XRD分析方法测定了不同干燥时间对应的薄膜样品的结晶度,结果表明：结晶度会随着干燥时间的延长而明显增加；同时,结晶度的增加会反过来降低溶剂的挥发速率。结合PVF的干燥动力学,一个适用于半结晶聚合物的数学模型被用于预测PVF聚合物薄膜在干燥过程中溶剂挥发量、薄膜结晶度以及厚度随干燥时间的变化。通过对预测值和实测值的对比分析发现,模型基本上可以正确反映实验结果。5、选择合适的增塑剂和稳定剂,有效提高了PVF在热塑性加工过程中的热稳定性,实现了PVF薄膜的熔融吹塑成型。采用溶解度参数、DSC和熔融流动指数测试对五种增塑剂的增塑效果进行评价。结果表明：DMP与PVF具有良好的相容性,即使在高添加量条件下也不会产生相分离；而且DMP能够大幅度降低PVF的熔点,对PVF的增塑效果十分显著。通过静态热稳定测试过程中样品颜色的变化来评价五种稳定剂的稳定效果。结果表明：当在PVF/DMP混合物中添加2份季戊四醇时,体系的稳定效果最好,长时间高温加热仍可保持良好的稳定性,无变色和降解反应发生。将DMP和季戊四醇按照最佳配比混入PVF树脂当中,采用螺杆挤出机进行吹塑成型。结果表明：该体系完全可以熔融挤出并吹塑成膜,但薄膜泡管容易爆破,且增塑剂挥发严重。通过对设备以及工艺条件的进一步摸索发现,降低增塑剂DMP的添加量至60份,采用先于180℃双螺杆挤出造粒,后于170-180℃单螺杆熔融吹膜的工艺,不仅可以解决上述问题,而且薄膜的成型效果更好。
【作者】王婧；
【导师】吕亚非；苑会林；
【作者基本信息】北京化工大学，材料学，2007，博士
【关键词】聚氟乙烯；薄膜；流延；双向拉伸；吹塑；加工工艺；

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