无机纳米粒子/聚合物复合材料研究

【摘要】纳米粒子/聚合物复合材料是复合材料中的一大类。它包括基体相和分散相。基体相为一连续相材料,它把改善性能的填充材料连接成一体；分散相主要起着改善性能(和)或显示功能的作用。这两相最终以复合的固相材料出现。本文使用不同的纳米无机材料和不同的聚合物制得纳米复合材料,从不同的方面研究复合体系的机理。主要工作如下：本论文在结晶性聚合物中分别对有机蒙脱土/PP纳米复合体系、纳米CaCO3/PP复合体系和纳米CaCO3/PE复合体系进行了研究。对复合体系的力学性能进行了测量和分析,对其微观形态进行了观察和分析,对复合材料的结晶性能做了分析和探讨,对其增韧机理进行了研究和探讨。在非结晶性聚合物中研究了纳米CaCO3/ABS复合体系。探讨了纳米粒子对聚合物复合体系力学性能的影响；观察了纳米复合体系中的断口形貌和纳米粒子在复合体系中的分散情况,提出相应的增韧增强机理。有机蒙脱土/共聚聚丙烯纳米复合材料同时提高了聚合物的各项力学性能。当添加量为2PHR时,冲击强度23.3kJ/m2,复合体系的冲击强度提高了21%；拉伸强度25MPa,复合体系的拉伸强度提高了62.3%弯曲弹性模量117.5MPa,复合体系的弯曲弹性模量提高了15%。有机蒙脱土/共聚聚丙烯纳米复合体系的热稳定性也因加入有机蒙脱土而显著提高,添加2PHR有机蒙脱土复合体系的热重损失5%时的热重温度为395.1℃C,比纯聚丙烯的热重损失5%时的热重温度高112.1℃C。在两种纳米CaCO3/聚丙烯复合材料体系中,纳米CaCO3粒子的加入,同时提高纳米复合材料的冲击强度和弯曲弹性模量,起‘到同时增强增韧的目的,体现了纳米无机粒子的特点和优势。验证了无机刚性粒子可使材料的韧性和刚性同时提高的特点。在纳米CaCO3/共聚聚丙烯复合体系中,DSC初步分析表明,复合材料在任何一个结晶降温速率下的起始结晶温度Tonset和结晶峰温Tp、都要高于纯聚丙烯,表明纯聚丙烯的结晶能力远远小于复合材料的结晶能力,原因在于复合体系中加入的纳米粒子起到异相成核剂的作用,促使聚合物高分子规整排列进行结晶。聚合物非等温结晶动力学分析表明,在较高的温度下复合材料就有较好的结晶能力。例如,在123℃C的时,添加的纳米粒子的复合材料的结晶速率常数远远大于纯PP的。在以EVA为母料基体的纳米CaCO3/ABS复合材料体系中,纳米CaCO3粒子的加入,提高复合体系的冲击强度同时复合体系的弯曲弹性模量基本保持或者略有提高。通过SEM电镜观察到纳米CaCO3粒子在基体中分散效果较好,并且纳米CaCO3粒子与聚合物基体的界面粘结力由于EVA的加入也较强,复合材料在受冲击的过程中,纳米粒子不但起到应力集中引发银纹的作用,同时纳米团聚体从基体上脱落也需要一定的能量,从而复合体系的抗冲击性能得以提高。在纳米CaCO3/LDPE复合材料体系中,纳米CaCO3粒子的加入,对复合体系的拉伸强度影响不大,但对复合体系的拉伸屈服强度影响比较明显。随着纳米CaCO3粒子的加入,复合体系的拉伸屈服强度明显提高,当纳米CaCO3粒子的加入量为35%时,复合体系的拉伸屈服强度为9.13MPa,纯LDPE的拉伸强度为7.35MPa,复合体系拉伸强度提高了24%,并保持断裂伸长率不降低。本文根据不同的聚合物提出相应的机理：对于结晶性聚合物,纳米粒子通过界面相互作用-银纹-结晶等机制增韧聚合物复合体系,在不同的体系中,各种机制占的比重有所不同。纳米粒子的加入引起结晶性聚合物的微观结构发生很大的变化。观察复合体系的微观结构可以看到纳米粒子引发-钉扎-终止银纹的作用。对于非结晶性聚合物,纳米粒子通过界面相互作用-银纹-剪切屈服-粘脱等机制增韧聚合物复合体系。观察复合体系的微观结构可以看到纳米粒子引起周围基体屈服-粘脱耗能的作用。在层状纳米粒子增韧增强聚合物复合体系中,层状纳米粒子的取向和滑移以及新的界面相的生成对复合体系有很大影响。无机纳米粒子的分散和无机纳米粒子与聚合物基体间的界面相的优劣对复合体系的性能有很大的影响。
【作者】王文一；
【导师】陈建峰；
【作者基本信息】北京化工大学，化学工程，2007，博士
【关键词】PE；PP；ABS；纳米CaCO3；有机蒙脱土；增韧增强；机理；结晶；

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