聚碳酸亚丙酯/层状硅酸盐纳米复合材料的制备与性能研究

摘要

近年来，可降解高分子材料因具有绿色环保概念而引起了人们极大的兴趣。并为生态环境以及可持续发展提供一个可能的选择。当前，全世界的高分子材料每年的产量已超过1.2亿吨，使用后产生的不可自然分解的大量废弃物变成污染源，造成地下水质及土壤污染，妨碍动植物生长，危及人类健康和生存。可降解高分子材料为解决废弃物所造成的环境问题提供了较好的途径。而由于成本、技术水平等因素的制约，虽然对可降解高分子材料已有研究和试用，但其发展和应用还远没有达到令人满意的程度。 聚碳酸亚丙酯(PPC)是由环氧丙烷和二氧化碳为原料合成的热塑性可降解树脂，但玻璃化温度低、不结晶、力学性能差且对热敏感，应用范围受到限制。聚合物.粘土纳米复合材料(PCN)是以聚合物为基体，粘土以纳米尺度分散于聚合物基体中的新型高分子复合材料，与纯聚合物或传统复合材料相比，其力学性能、热稳定性等方面得到明显提高。若能通过层状硅酸盐纳米复合改善PPC的力学性能和热性能，将具有较大的适用价值和经济意义。 本论文采用两种季铵盐作为蒙脱土和累托石的有机改性试剂，通过阳离子交换反应制备有机蒙脱土(OMMT)和有机累托石(0REC)，采用熔融共混法制备了聚碳酸亚丙酯/蒙脱土和聚碳酸亚丙酯/累托石纳米复合材料；采用X-射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)等手段表征了复合材料的微观结构；差示扫描量热仪(DSC)研究了各种改性体系的热学性能、测试了复合材料的静态力学性能、动态力学性能(DMA)、热稳定性、耐油、耐水和空气老化性等。主要研究结果如下： (1)采用阳离子交换法，制备了不同的有机胺改性的有机蒙脱土和有机累托石，用XRD，FTIR，TGA表征了插层效果。研究结果发现有机季胺盐可与蒙脱土和累托石发生阳离子交换反应得到层间距较大并易于在有机介质中分散的有机蒙脱土和有机累托石。 (2)采用熔融插层法，制备了PPC/硅酸盐纳米复合材料，通过X射线衍射、透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)对PPC/硅酸盐纳米复合材料的微观结构进行了表征。结果表明有机化蒙脱土和累托石能较好的分散于PPC基体中形成了纳米复合材料。 (3)PPC/粘土的静态力学性能研究表明，OMMT和OREC用量为3％时的拉伸强度和冲击强度均最高，7％时的断裂伸长率最小，这种性能与粘土的插层效果、复合材料的微相结构及组分间强烈的相界面作用有关。 (4)采用DSC，TGA和DMA等分析仪器对PPC/累托石纳米复合材料的热学性能和动态力学性能进行了研究，结果表明，纳米复合材料的玻璃化转变温度Tg比纯PPC聚合物明显提高，热稳定性、储能模量和损耗模量也有较大提高，而损耗角正切值tand下降。 (5)PPC/累托石纳米复合材料的耐介质性能研究结果表明：插层效果较好的复合材料具有较好的耐介质性能，这归因于粘土片层有效地阻止了溶剂分子向材料内部的渗透。PPC/累托石形成插层型纳米复合材料后，PPC的耐水性和耐机油性得到明显改善。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1蒙脱土及累托石的结构特点

1.1.1蒙脱土及其结构特点

1.1.2累托石及其结构特点

1.1.3累托石的物理特性

1.2蒙脱土及累托石的有机化插层处理

1.2.1蒙脱土的有机化插层处理

1.2.2累托石的有机化插层处理

1.3聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的结构

1.4聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的制备

1.4.1原位插层聚合法

1.4.2溶液插层法

1.4.3熔融插层法

1.4.4其它方法

1.5聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的性能与表征

1.5.1力学性能

1.5.2热性能

1.5.3阻燃性

1.5.4气体阻隔性

1.5.5其他性能

1.6聚合物/粘土纳米复合材料的研究进展

1.6.1加工条件对熔体插层过程的影响

1.6.2聚合物在受限空间中的形态变化和松弛行为的研究

1.6.3聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料研究中存在的问题

1.7本论文课题的提出及主要研究内容

1.7.1本研究课题的提出

1.7.2聚碳酸亚丙酯/层状硅酸盐纳米复合材料研究现状

1.7.3主要研究内容

第2章蒙脱土及累托石的有机化与表征

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1实验原料与试剂

2.2.2有机化蒙脱土和有机化累托石的制备

2.2.3测试仪器与表征方法

2.3结果与讨论

2.3.1蒙脱土的有机改性

2.3.2累托石的有机改性

2.3.3蒙脱土有机化处理前后的FTIR分析

2.3.4累托石有机化处理前后的FTIR分析

2.3.5 MMT与OMMT的X—衍射分析

2.3.6 REC与OREC的X—衍射分析

2.3.7 MMT与OMMT的TG分析

2.3.8 REC与OREC的TG分析

2.3.9累托石与有机化累托石的表面性能

2.4小结

第3章聚碳酸亚丙酯/累托石纳米复合材料的制备与微观结构形态

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1原料与试剂

3.2.2 PPC/OREC纳米复合材料的制备

3.2.3测试仪器与表征

3.3结果与讨论

3.3.1 PPC/OREC纳米复合材料的IR表征

3.3.2不同熔融混合时间下累托石的分散

3.3.3不同加工温度下PPC/OREC纳米复合材料的XRD

3.3.4不同累托石含量的PPC/累托石纳米复合材料的XRD研究

3.3.5不同累托石含量的PPC/OREC纳米复合材料的透射电镜分析

3.3.6原子力显微镜结果分析

3.3.7 Molau实验结果分析

3.4小结

第4章聚碳酸亚丙酯/层状硅酸盐纳米复合材料的力学性能研究

4.1前言

4.2实验部分

4.2.1原料与试剂

4.2.2试样制备

4.2.3测试仪器与表征方法

4.3结果与讨论

4.3.1 PPC/层状硅酸盐纳米复合材料的硬度

4.3.2 PPC/层状硅酸盐纳米复合材料的拉伸性能

4.3.3 PPC/层状硅酸盐纳米复合材料的冲击性能

4.3.4 PPC/层状硅酸盐纳米复合材料的断裂伸长率

4.3.5 PPC/OREC2纳米复合复合材料的动态力学性能

4.4小结

第5章聚碳酸亚丙酯/层状硅酸盐纳米复合材料的热性能研究

5.1前言

5.2实验部分

5.2.1原料与试剂

5.2.2试样制备

5.2.3测试仪器与表征方法

5.3结果与讨论

5.3.1纳米复合材料的热失重

5.3.2 PPC/OREC纳米复合材料的DSC曲线分析

5.3.3 PPC/层状硅酸盐纳米复合材料的热氧老化

5.3.4 PPC/层状硅酸盐纳米复合材料的维卡软化点

5.4小结

第6章聚碳酸亚丙酯/累托石纳米复合材料的耐介质性能研究

6.1前言

6.2实验部分

6.2.1原料与试剂

6.2.2 PPC/累托石纳米复合材料的制备

6.2.3实验及测试方法

6.3结果与讨论

6.3.1 PPC/累托石复合材料的耐水性能

6.3.2 PPC/累托石纳米复合材料的耐机油性能

6.4小结

第7章结论

参考文献

附录

致谢