侧链液晶离聚物及其共混材料的研究

摘要

液晶高分子是指在一定条件下能以液晶态存在的高分子，它兼有液晶分子的取向序和位置序以及高分子化合物的特性，液晶高分子在液晶相时，高分子链的高度取向使得其在分子链取向方向上具有高模量、高强度、高拉伸强度等优良性能，因而得到了广泛的应用，在复合材料中也表现出很高的应用价值。由于液晶高分子和其他热塑性高分子的不相容性使得在熔融加工时易产生复合材料的两组分的相分离，限制了它的发展和应用，通常需要加入增容剂。液晶离聚物是指含有离子的液晶聚合物，通过离子的相互作用使液晶高分子链之间的相互作用增强，从而改善液晶高分子的横向性能，也使得液晶高分子与高分子基质在原位复合时的相容性得以改善，它综合了离聚物和液晶聚合物两方面的内容，是一种新型的功能高分子。目前，对于液晶聚合物的研究已趋于系统化，在国内外的研究报道都很多。但是对于液晶离聚物的研究却不多，尤其是液晶离聚物在复合材料中的应用更少，是目前液晶高分子研究领域中的前沿课题之一，不仅具有重要的理论意义，而且在与其它热塑性高分子共混制备性能更优良的复合材料方面具有广阔的应用前景。因此，本论文所开展的侧链液晶离聚物及其共混复合材料的研究不仅丰富了液晶高分子的内容，而且为研究共混复合材料的应用提供了基础和一定的技术支持，同时也为研究液晶离聚物的应用奠定了基础。 在查阅了大量的相关文献的基础上，设计与合成了3种液晶单体M1～M3和1种含有磺酸离子的离子单体，并合成了3个系列的液晶高分子和液晶离聚物P1～P3系列。3种液晶单体分别是：4-烯丙氧基苯甲酰氧基-4'-对丁基苯甲酰氧基苯(M1)，单体4-烯丙氧基苯甲酰氧基-4'-戊基苯甲酰氧基联苯(M2)、4-烯丙氧基苯甲酰氧基-4'-甲氧基苯甲酰氧基联苯(M3)和一种离子单体十一烯酰氧基偶氮苯磺酸(M4)其中除M1外，其余3种单体(M2～M4)及3个系列的液晶高分子、液晶离聚物均未见国内外报道。所合成的单体中M1～M3均为向列相液晶单体，M4没有液晶性能。液晶高分子及液晶离聚物也均为向列相液晶。采用FT-IR、1H-NMR、DSC、TGA、POM及X-射线等技术对所合成的液晶单体、液晶高分子及液晶离聚物的结构与性能进行了研究，实验结果表明： 单体M1～M3均为互变向列相液晶化合物，M1单体在升温过程和降温过程均呈现明显的丝状织构，纹影以及球粒织构。随着液晶核刚性的增加，M2～M3织构有所变化，颜色变化明显，丝也变得不规整，同时熔点(Tm)与清亮点(Ti)升高，液晶相△T范围加宽。M4单体由于含有磺酸离子，没有液晶性能。对于液晶高分子P1系列，研究了刚性液晶单体的增加对液晶性能的影响。随着单体M2含量的增加，液晶相的清亮点升高，液晶相范围加宽。对于液晶离聚物P2～P3系列，重点研究了离子单体的含量对液晶性能的影响。结果表明，随着离子单体的引入，液晶相的范围明显变窄，当离子单体的含量达到一定值时，将失去液晶性能。同时离子的存在增加了离聚物的热稳定性。 其次，还大量合成了一种液晶离聚物和相应的液晶聚合物，并将它们分别添加到聚丙烯(PP)和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)的共混体系中，通过熔融共混制备了PP/PBT/SLCP以及PP/PBT/SLCI共混体系。采用FT-IR、DSC、SEM、POM及拉伸实验等技术对所制备的共混复合材料的热性能，微观形貌以及力学性能等进行了研究。实验结果表明： 在PP/PBT/SLCP共混体系中，液晶聚合物的加入，使得PP/PBT共混物的拉伸强度增加，但由于液晶聚合物和共混组分的不相容性使得液晶聚合物的加入量较多时，相分离现象更加明显，当含量较多时，力学性能反而下降。扫描电镜也证实了相分离的存在。在PP/PBT/SLCI共混体系中，液晶离聚物按不同比例添加到PP/PBT的共混物中，使得PP和PBT共混物的拉伸强度增加了，力学性能变好了。DSC和红外分析表明，是由于磺酸离子和PBT分子中极性的羰基等基团产生了分子间的作用力，增加了PP和PBT的相界面的粘合力，改善了组分的相容性，使得PP和PBT相的相转变温度降低了。扫描电镜分析也证实了微观形貌的相容性。其中4.0wt％的液晶离聚物的含量的共混物的力学性能最好，拉伸强度为7.336MPa。 此外，将PP和碳纤维以及PP、碳纤维和SLCI分别通过熔融共混制备了PP/碳纤维和PP/碳纤维/SLCI共混复合材料。其力学性能和微观形貌分别通过拉伸实验和扫描电镜进行了分析。实验结果表明： 在PP/碳纤维共混体系中，碳纤维的加入使得PP材料的拉伸强度明显增加，但含量达到0.6wt％后，强度变化不大。微观强度分析表明，纤维拔出是最主要的增韧机理。而在PP/碳纤维/SLCI共混体系中，液晶离聚物的增加使得碳纤维和聚丙烯复合材料的拉伸强度进一步增加，分析其原因，可能是液晶离聚物在纤维表面的作用使得碳纤维和聚丙烯的相互作用增强，力学性能提高。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1液晶高分子概述

1.1.1物质的液晶态与液晶高分子

1.1.2液晶高分子的发展简史

1.1.3液晶高分子的分类

1.1.4液晶高分子的结构与性能

1.1.5高分子液晶态的表征与研究

1.1.6液晶高分子的理论基础

1.2液晶离聚物概述

1.2.1液晶离聚物的结构和分类

1.2.2侧链液晶离聚物

1.3聚合物共混体系的研究

1.3.1聚合物共混物的制备方法及设备

1.3.2聚合物之间的相容性

1.3.3增容剂

1.3.4液晶聚合物在共混材料方面的应用

1.3.5液晶离聚物在共混材料方面的应用

1.3.6碳纤维在共混材料方面的应用

1.4本论文的研究构思和分子设计

1.4.1本论文的研究构思

1.4.2本论文的分子设计与特色

第二章侧链型液晶高分子和液晶离聚物的合成与性能研究

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1主要化学试剂

2.2.2测试仪器

2.2.3合成部分

2.3结果与讨论

2.3.1结构分析

2.3.2液晶性能分析

2.4本章小结

第三章侧链液晶聚合物和液晶离聚物在共混体系中的应用研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1主要化学试剂

3.2.2所需设备和测试仪器

3.2.3实验部分

3.3结果与讨论

3.3.1液晶聚合物和液晶离聚物的结构和性能分析

3.3.2 PP/PBT/SLCP共混体系的性能分析

3.3.3 PP/PBT/SLCI共混体系的性能分析

3.3.4 PP/C纤维共混体系的性能分析

3.3.5 PP/C/SLCI共混体系的性能分析

3.4本章小结

第四章结论

参考文献

致谢

博士期间发表和待发表的文章以及参加的科研项目

简历