基于纳米金刚石表面改性的PA6/NDs复合材料的制备与表征

摘要

纳米金刚石（ND）作为碳纳米家族的一员，由于其绝佳的力学性能，光学性能，低毒性以及生物相容性引起了人们的广泛兴趣。近几年来，ND在生物医学以及聚合物基复合材料中的应用更是呈现快速的增长，但是其在尼龙基复合材料制备中的研究还基本没有，因此本文在纳米金刚石表面修饰的基础上通过6-氨基己酸开环聚合的方法原位聚合制备了一系列的PA6/NDs纳米复合材料。通过对比PA6/ND、PA6/ND-COOH以及PA6/ND-NH2纳米复合材料各项性能证明了表面修饰基团在控制NDs-PA6界面相互作用，NDs在基体中的分散以及复合材料的热性能力学性能等方面的能力。主要工作如下：
　　1. ND的表面修饰。通过混酸氧化（H2SO4：HNO3=3:1）和酰胺化的方法在ND表面接枝羧基（ND-COOH）和乙二胺（ND-NH2）。
　　（1）红外分析表明酸化氧化之后，在1775 cm-1处的峰证明表面羧基的成功接枝；而酰胺化之后1544和1665 cm-1处新的峰的存在证明表面成功接枝乙二胺。
　　（2）通过 EDS元素变化分析，在混酸氧化之后，氧含量从20.11％提高到31.87%；而酰胺化之后新的元素N含量达到14.08%间接证明了表面基团的改变。
　　（3）通过SEM观察了修饰前后ND在乙醇中的分散情况，修饰之前原料ND处于团聚状态，尺寸达到微米级，修饰之后的ND-COOH以及 ND-NH2的分散较原料ND有了很大的提高，可以看出纳米颗粒形状为类球状，尺寸在50-300 nm之间。
　　2. PA6/NDs（ND、ND-COOH、ND-NH2）纳米复合材料的制备。利用6-氨基己酸作为引发剂，通过原位复合方法开环聚合制备PA6/NDs复合材料，并且通过 DSC、XRD、TEM以及应力-应变测试等测试方法表征不同表面基团以及添加量对纳米复合材料的各项性能的影响。
　　（1）利用TEM研究复合材料中NDs的分散情况结果表明在含量相同的情况下，通过对ND表面进行修饰使得其在复合材料中的分散较原料ND有了很大的提高，原料ND在含量不超过0.3 wt%时为纳米级分散，随含量的提高团聚现象明显，达到微米级的分散；而ND-COOH以及ND-NH2在含量达到0.5 wt%时仍能保持纳米级的分散，在含量达到0.7 wt%时才出现少量的团聚现象。
　　（2）力学性能结果表明无论修饰与否，NDs的加入都使复合材料的力学性能较纯PA6有了很大的提高。通过对ND表面进行修饰使得其对复合材料的力学性能的增强效果更为明显，并确定了各复合材料最佳的力学性能含量点为0.4 wt%。在含量为0.4 wt%时，PA6/ND复合材料的拉伸强度为83.8 MPa，断裂伸长率为306%，杨氏模量为1121 MPa，拉伸强度和杨氏模量为纯PA6的1.9倍和2.4倍，断裂伸长率较纯PA6下降了38.3%；PA6/ND-COOH复合材料的拉伸强度为97.7 MPa，断裂伸长率为339%，杨氏模量为1214 MPa，拉伸强度和杨氏模量较纯PA6分别提高了2.2倍和2.6倍，断裂伸长率较纯PA6下降了31.7%；PA6/ND-NH2复合材料的拉伸强度为108.7 MPa，断裂伸长率为392%，杨氏模量为1008 MPa，拉伸强度和杨氏模量较纯PA6分别提高了2.5倍和2.2倍，断裂伸长率较纯PA6仅下降了21%。
　　（3）复合材料的热性能结果表明各NDs的引入使得复合材料的结晶度都较纯尼龙6有了一定的提高。通过对ND表面进行修饰使得其对复合材料结晶度以及结晶温度的影响更为显著。在含量达到0.4 wt%时，PA6/ND-COOH和PA6/ND-NH2复合材料的结晶度分别较纯PA6提高了40.7%和72.3%；结晶温度分别较纯PA6提高了2.9℃以及5.1℃。
　　（4）复合材料的结晶晶型结果表明NDs对尼龙6基体晶型的影响不大，都呈现典型的α晶型，对晶型排列有所影响。

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1 前言

1.1 纳米金刚石

1.2 PA6

1.3 本文研究目的和研究内容

2 纳米金刚石的修饰与表征

2.1 引言

2.2 实验原料及仪器

2. 3 实验过程

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

3 PA6/NDs复合材料的制备与表征

3.1实验原料及仪器

3.2 实验过程

4 PA6/NDs复合材料分散行为研究

4.1 测试方法和测试仪器

4.2结果与讨论

4.3 本章小结

5 PA6/NDs复合材料力学性能研究

5.1 测试方法和测试仪器

5.2 NDs含量及表面基团对复合材料力学性能的影响

5.3 本章小结

6 PA6/NDs复合材料热性能及结晶行为研究

6.1 测试方法和测试仪器

6.2 结果与讨论

7 结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果