分散性对PP/nano-CaCO3复合材料性能的影响

摘要

纳米碳酸钙（nano-CaCO3）是已产业化的少数纳米粉体之一，其作为聚合物的填充材料具有明显优势，能够在提高聚合物韧性的同时不损害刚性，并且还具有减少白色污染、环境友好等环保优势。由于潜在的经济效益和巨大的市场应用前景，近20年来，nano-CaCO3在塑料行业的应用研究经久不衰，各种类型的聚合物/nano-CaCO3复合材料一直是研究开发的热点。
　　聚丙烯（PP）是一种重要的通用塑料，在汽车工业、家用电器、包装及建材家具等方面具有广泛的应用，但其耐低温冲击性差，较易老化，nano-CaCO3对PP改性的研究受到广泛关注。众所周知，nano-CaCO3在基体中均匀分散是复合材料具有良好性能的保证，而对nano-CaCO3适当的表面改性是其中的关键所在。考虑到实际生产工艺与成本，一些实验室可以实施的方法和手段难以在工业生产中实现。若在nano-CaCO3厂家利用现有设备与工艺直接进行不同表面处理，则研究对象更具有应用价值与现实意义；此外，以往的nano-CaCO3填充聚合物的研究多集中在低填充量（1-10 wt％），而高含量填充的研究，有利于拓展nano-CaCO3的应用。
　　针对以上问题，本文主要做了以下工作：使用数种利用工业化生产设备生产的不同表面改性的nano-CaCO3，与PP经双螺杆共混挤出制备PP/nano-CaCO3复合材料，对共混材料的形态结构、力学性能、热性能、结晶行为和流变学行为进行系统研究，重点考察nano-CaCO3的分散性对复合材料力学性能的影响。得到如下结果和结论：
　　（1）一些小分子，如偶联剂、分散剂等，一旦不能与 nano-CaCO3表面的活性羟基反应，就会成为体系中的缺陷。
　　（2）共混挤出过程中，螺杆的剪切作用会破坏针状或簇状 nano-CaCO3形态，并使其完全以颗粒状或颗粒状团聚体形式分散，且分散及分布不均匀，复合材料力学性能严重劣化。
　　（3）nano-CaCO3的加入起异相成核作用，使PP沿纳米粒子周围生长，球晶尺寸减小，球晶界面模糊，使复合材料的熔融热焓和结晶热焓下降；随着填充量的增大，结晶形态和热性质会表现出上升的趋势。
　　（4）经硬脂酸复配改性的nano-CaCO3，硬脂酸在表面吸附良好，纳米粒子在PP基体中分散较好，高填充量下，团聚尺寸均在0.5μm以下，且分布均一。在30 wt%填充量时，PP/nano-CaCO3复合材料较纯PP冲击强度提升81.6%，弯曲强度提升22%，拉伸强度下降17.4%，弯曲弹性模量提高27.8%，在略微损失刚性的情况下使韧性获得较大提升。
　　（5）纳米粒子在基体中分散良好的PP/nano-CaCO3复合材料的断裂为韧性断裂，断口处可观察到大量银纹、屈服等塑性形变；当复合材料受到冲击时，亚微米级团聚能够部分脱粘，形成止裂孔，阻止裂纹的发展。

目录

声明

引言

1 绪论

1.1 聚丙烯简介及其改性

1.1.1 聚丙烯简介

1.1.2 聚丙烯的物理改性

1.1.3 聚丙烯的化学改性

1.2 纳米碳酸钙简介及其改性

1.3.1 纳米碳酸钙的特点[36]

1.3.2 纳米粒子的效应

1.3.3 无机纳米粒子的增韧机理

1.3.4 纳米碳酸钙的改性

1.3.5 nano-CaCO3改性聚合物的方法

1.3 本文的研究思路、目的和意义

2 不同表面改性的nano-CaCO3对PP/nano-CaCO3复合材料性能的影响

2.1 概述

2.2 实验部分

2.2.1 主要原料

2.2.2 主要仪器设备

2.2.3 实验方案

2.2.4 复合材料的制备

2.2.5 nano-CaCO3的测试与表征

2.2.6 复合材料的测试与表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 nano-CaCO3的形态

2.3.2 nano-CaCO3的红外表征

2.3.3 nano-CaCO3的活化度与吸油值

2.3.4 复合材料的收缩率

2.3.5 不同改性剂、改性方法对PP/nano-CaCO3复合材料力学性能的影响

2.3.6 nano-CaCO3在PP基体中的分散性

2.3.7 nano-CaCO3在PP基体中的颗粒密度和粒径分布

2.3.8 复合材料的热行为

2.3.9 复合材料的TG

2.4 本章小结

3 不同填充量PP/nano-CaCO3复合材料的形态与性能研究

3.1 概述

3.2 实验部分

3.2.1 主要原料

3.2.2 主要设备仪器

3.2.3 实验方案

3.2.4 共混物的制备

3.2.5 测试与表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 nano-CaCO3填充量对复合材料制品收缩率的影响

3.3.2 nano-CaCO3填充量对复合材料力学性能的影响

3.3.3 nano-CaCO3在PP基体中的分散性

3.3.4 nano-CaCO3在PP基体中的颗粒密度和粒径分布

3.3.4 冲断面SEM分析

3.3.5 nano-CaCO3填充量对复合材料结晶行为的影响

3.3.6 复合材料的热行为

3.3.7 复合材料的TG

3.3.8 复合材料的动态流变学行为

3.4 本章小结

4 结论

参考文献

致谢

个人简历