01

背景介紹

聚丙烯(PP)是一種應用廣泛的通用塑料，價格便宜、力學性能好、熱穩定性高，在機械、汽車、電子電器、建筑、紡織、包裝和食品工業等領域應用廣泛。

聚丙烯韌性和沖擊強度不高，限制了它的應用。加入熱塑性彈性體(TPE)，如苯乙烯嵌段共聚物(TPS)、聚烯烴(TPO)、聚氨酯(TPU)等可以顯著提高其沖擊強度，其中以TPO最為常用。加入TPE提高PP沖擊強度的同時，材料模量和拉伸強度會顯著降低。有報道稱，加入20%的TPE后，PP共混物的沖擊強度會提高12倍，但是模量也會下降40%。

那么如何提高增韌PP的模量？加入剛性填料，如玻纖、納米無機顆粒(珍珠巖、二氧化硅)是個不錯的選擇。有報道稱，在PP中加入5%的納米二氧化硅后，共混物的楊氏模量提高了40%。但是這樣又帶了一個問題，剛性填料加入越多，材料沖擊強度會下降，這是因為剛性填料和PP相容性太差造成的。

如何解決剛性填料和PP相容性差的問題？可以加入相容劑，比如最常用的PP相容劑就是馬來酸酐接枝改性PP(PP-g-MA)。

總體來說，為了提高PP的沖擊強度，同時又不希望模量和強度下降過多，這里面的控制因素非常多，而且相互之間互相制約，要想得到性能優秀的PP復合材料實屬不易。

02

成果速遞

德國布倫什維克理工大學的Mohammad Fasihi教授課題組采用熔融共混的方法制備了PP/乙丙橡膠/納米二氧化硅/PP-g-MA復合材料，研究了材料的韌性(TO)、斷裂伸長率(EB)、拉伸強度(TS)、楊氏模量(YM)和沖擊強度(IS)等力學性能。為了得到最優的PP復合材料組分配比，他們利用人工神經元網絡(ANN)將各組分濃度與力學性能進行了關聯，通過敏感性分析引入了一個納米復合材料評估標準(NEC)的新參數，將多目標優化問題簡化為單因素優化，并結合遺傳算法得到了最優的組分配比：當PP、彈性體、納米二氧化硅和相容劑含量分別為64.7%、24.2%、9.5%和1.6%時，共混物力學性能最優：韌性從純PP的374.08 MPa增加到577.53 MPa，沖擊強度從純PP的2.98 kJ/m2增加到33.72 kJ/m2，而且共混物楊氏模量僅僅下降了82.12 Mpa，為989.53 MPa。

03

技術實現

原料：PP，牌號RG 1102G，廠家Rejal石化公司；PP-g-MA，牌號KARABOND A-100，廠家Kara Negin公司；納米二氧化硅，牌號AEROSIL? 200，廠家德固賽；乙丙橡膠，牌號Vistamaxx 6102，廠家Exxon Mobil。

設備：Brabender熔體混合儀。

工藝：混合溫度190 ℃，轉子轉速80 rpm，混合時間15 min。

04

圖文詳解

實驗設計

研究者設計了16組實驗以優化PP復合材料的性能，得到最佳的組分配比，其中第一組實驗為純PP，作為對比參考。TPE的濃度范圍是10~20%，納米二氧化硅的濃度范圍是3~9%，PP-g-MA的濃度范圍是1.5~9%。

按照實驗設計，通過熔融共混得到不同PP復合材料后，研究者通過注塑制備了測試樣條，通過力學性能測試得出了不同復合材料的力學性能，同時還分析了分散相的平均粒徑，結果如下所示：

人工神經元網絡模型

為了構建ANN，研究者以PP、乙丙橡膠、納米二氧化硅和PP-g-MA濃度作為輸入向量，以韌性、斷伸、拉伸強度、楊氏模量、沖擊強度作為輸出向量，建立了ANN模型。為了計算合理的隱含層數量，在嘗試了400種不同隱含層數、不同初始權重矩陣和偏置矩陣的組合后，研究者發現隱含層最好為9個。

研究者采用16組不同實驗數據對ANN進行訓練、驗證和測試，其中訓練數據集12個，驗證和測試各用2個數據。但是筆者認為ANN訓練、驗證和測試數據集數據太少，16組實驗數據確實難以建立優秀的網絡，ANN流程圖如下所示：

經過訓練后，ANN的驗證和測試結果還不錯，如下圖所示：

納米復合材料評估標準(NEC)

為了制備出韌性好、強度高的PP材料，需要同時考慮上述5個力學性能，對它們進行優化，這是一個多目標優化問題。

研究者提出了一個新參數NEC，將5個力學性能濃縮為1個，而且變為無量綱。通過NEC可以很容易的理解各種組分的加入對所有力學性能的影響，NEC值越高，性能越好，其定義如下所示：

方程中各個項的指數不同，代表了該項對力學性能的影響大小，敏感性分析就是為了計算這幾個指數。

為了計算這些指數，研究者采用試差法，當所有項對NEC的影響都是20%時，就得到了最優指數解：

最優組分配比和性能

經過敏感性分析，研究者得到了PP復合材料的最優力學性能和對應的組分配比，結果如下表格中的第一行所示：

當PP/乙丙橡膠/納米二氧化硅/PP-g-MA的比例為67.4/24.2/9.5/1.6時，復合材料的綜合力學性能最佳，韌性、斷裂伸長率、拉伸強度、楊氏模量和沖擊強度分別為577.53 MPa、31.95%、24.77 MPa、989.53 MPa和33.72 kJ/m2。

05

內容總結

高分子復合材料的組分配比和性能優化是一個復雜的多目標優化問題，為了更好的解決這一問題，德國布倫什維克理工大學的Mohammad Fasihi教授課題組針對PP/乙丙橡膠/納米二氧化硅/PP-g-MA四元共混體系，采用ANN和敏感性分析NEC的方法得出了最優性能下的最佳組分配比，發現當PP、彈性體、納米二氧化硅和相容劑分別為64.7%、24.2%、9.5%和1.6%時，共混物力學性能最優：韌性從純PP的374.08 MPa增加到577.53 MPa，沖擊強度從純PP的2.98 kJ/m2增加到33.72 kJ/m2，而且共混物楊氏模量僅僅下降了82.12 Mpa，為989.53 MPa。

本文也存在不足：在訓練ANN時僅采用16組實驗結果，數據集太少，訓練結果存在疑問。

06

一張圖概況全文

參考文獻：

Hossein Pourrahmania, Mona Golparvar, Mohammad Fasihib. A New Evaluation Criterion for Optimizing the Mechanical Properties of Toughened Polypropylene/Silica Nanocomposites. Chinese Journal of Polymer Science, 2020: 1-11.

-END-

總結

以上是生活随笔為你收集整理的丙烯怎么做成流体丙烯_韧性好强度高的聚丙烯复合材料怎么做？让人工智能来帮忙...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。