聚丙烯/埃洛石纳米管复合材料的制备、结构与性能研究

摘要

本论文将具有天然纳米管结构的埃洛石纳米管(Halloysite nanobubes，HNTs)应用于热塑性塑料聚丙烯(Polypropylene，PP)，制备了具有新型结构和优良性能的PP/HNTs复合材料，深入系统地研究了复合材料的制备、结构与性能。 HNTs基本性质研究表明HNTs的天然硅酸盐纳米管结构、表面性质和热失重行为等使得其在聚合物的增强和阻燃改性上具有独特的优势和吸引力，是制备高性能聚合物复合材料的理想增强材料。通过传统的热塑性塑料成型工艺制备了PP/HNTs复合材料，结果表明，未经任何改性的。HNTs在PP基体中有着较好的分散，同其它常用无机填料相比，HNTs与PP制备的复合材料具有明显更好的力学性能，特别是材料的伸长率，远远高于其它无机填料的PP复合材料。 提出了通过氢键作用在聚合物基体中构筑杂化网络并用来增强聚合物的方法---通过氢键作用构筑无机/有机杂化网络增强技术。通过在聚合物基体和无机填料体系中加入少量的有机小分子氢键配体，使得无机填料在加工过程中通过氢键原位形成有机-无机杂化网络结构，聚合物分子链贯穿于杂化网络之间，形成一种类似于半互穿聚合物网络(semi-IPN)结构的聚合物复合材料。无机/有机杂化网络的形成明显提高了复合材料的模量和强度，例如，添加30份HNTs和2．5份氢键配体三聚氰胺(MEL)后，复合材料的模量与相同填料含量的PP/HNTs复合材料相比提高了50％以上。杂化网络的形成使得冲击强度有一定程度的下降。填料表面和氢键配体具有多个形成氢键的官能团是形成杂化网络的前提条件。只有当填料达到一定的含量时(一般高于10份)填料才能形成网络。无机/有机杂化网络不仅可以在PP、高密度聚乙烯(HDPE)基体中形成，还可以在极性的尼龙6(PA6)中形成，并显示良好的增强效果。 探索了几种通过HNTs表面改性提高PP/HNTs复合材料性能的方法。这些方法主要包括通过两步法在HNTs表面接枝PP分子以及通过UV接枝等方法对HNTs的表面进行改性，这些方法增加了HNTs与PP基体的相容性，促进了HNTs在PP基体中的分散，有效提高了复合材料的力学性能。 HNTs的加入以及HNTs的表面改性能够显著的增加PP的热稳定性，提高复合材料的热分解温度；HNTs的加入可以显著降低复合材料的热释放速率，同时，烟密度也有一定程度的降低，表现出对PP良好的阻燃效果。同其它硅酸盐材料一样，HNTs的加入可以加速PP的热氧老化，而表面改性可以一定程度的抑制这种热氧老化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2聚丙烯的改性

1.2.1化学改性

1.2.2聚丙烯的物理改性

1.3聚合物/无机物复合材料的种类

1.3.1聚合物/颗粒状无机物复合材料

1.3.2聚合物/层状无机物复合材料

1.3.3聚合物/纤维状无机物复合材料

1.4聚合物基复合材料制备技术

1.4.1层间插入法

1.4.2溶胶-凝胶法

1.4.3共混法

1.4.4原位聚合法

1.4.5自组装法

1.5新型的聚合物增强材料—埃洛石

1.5.1埃洛石纳米管的结构特征和性质

1.5.2埃洛石纳米管的应用

1.6本研究的目的与主要内容

1.6.1本研究的目的与意义

1.6.2本研究的主要内容

1.6.3本文的创新之处

第二章埃洛石纳米管的基本性质研究

2.1引言

2.2试验部分

2.2.1试验原料

2.2.2测试与表征

2.3结果与讨论

2.3.1埃洛石纳米管的化学成分组成

2.3.2埃洛石纳米管的形貌

2.3.3埃洛石纳米管的结晶结构

2.3.4埃洛石纳米管的热分解行为

2.3.5埃洛石纳米管的红外分析

2.3.6埃洛石纳米管的比表面积和孔径分布

2.3.7埃洛石纳米管的粒径分布

2.4本章小结

第三章聚丙烯/埃洛石纳米管复合材料的制备、结构与性能

3.1引言

3.2试验部分

3.2.1试验原料

3.2.2聚丙烯复合材料的制备

3.2.3测试与表征

3.3结果与讨论

3.3.1三种聚丙烯/埃洛石纳米管复合材料力学性能的比较

3.3.2埃洛石纳米管与常用无机填料填充聚丙烯的力学性能比较

3.3.3聚丙烯/埃洛石纳米管复合材料的应力-应变行为

3.3.4聚丙烯/埃洛石纳米管复合材料的形貌结构

3.3.5聚丙烯/埃洛石纳米管复合材料的结晶形貌

3.4本章小结

第四章聚丙烯基体内无机/有机杂化网络的原位形成及其增强作用

4.1引言

4.2试验部分

4.2.1试验原料

4.2.2模型化合物的制备

4.2.3复合材料的制备

4.2.4性能测试与表征

4.3结果与讨论

4.3.1聚丙烯/埃洛石纳米管/三聚氰胺体系中杂化网络的构筑

4.3.2埃洛石纳米管/三聚氰胺杂化网络的形成对复合材料力学性能的影响

4.3.3埃洛石纳米管/三聚氰胺杂化网络的形成对复合材料结晶行为与结晶形貌的影响

4.3.4有机/无机杂化网络的形成的影响因素

4.3.5有机/无机杂化网络对复合材料形貌结构的影响

4.4本章小结

第五章埃洛石纳米管的表面改性及对复合材料结构性能的影响

5.1引言

5.2试验部分

5.2.1试验原料

5.2.2改性埃洛石纳米管的制备

5.2.3聚丙烯分子接枝埃洛石纳米管的制备

5.2.4聚丙烯分子接枝埃洛石纳米管模型化合物的制备

5.2.5紫外光接枝丙烯酸异辛酯改性埃洛石纳米管的制备

5.2.6聚丙烯/埃洛石纳米管复合材料的制备

5.2.7测试与表征

5.3结果与讨论

5.3.1表面改性对聚丙烯/埃洛石纳米管复合材料的影响

5.3.2埃洛石纳米管表面接枝聚丙烯分子对复合材料的影响

5.3.3紫外光接枝对聚丙烯/埃洛石纳米管复合材料的力学性能影响

5.4本章小结

第六章聚丙烯/埃洛石纳米管复合材料的热行为

6.1引言

6.2试验部分

6.2.1试验原料

6.2.2改性埃洛石纳米管的制备

6.2.3聚丙烯/埃洛石纳米管复合材料的制备

6.2.4测试与表征

6.3结果与讨论

6.3.1聚丙烯/埃洛石纳米管复合材料热稳定性的研究

6.3.2聚丙烯/埃洛石纳米管复合材料热分解动力学

6.3.3聚丙烯/埃洛石纳米管阻燃性能的影响

6.3.4聚丙烯/埃洛石纳米管复合材料的热氧老化行为

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见