聚苯乙烯/凹凸棒土、聚氨酯/凹凸棒土及其复体系的制备及性能研究

摘要

近年来,聚合物/无机纳米复合材料是以聚合物为基体、填充纳米尺度的无机颗粒所形成的高分子复合材料,能将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、可加工性完美地结合,表现出良好的力、热等特性,具有重要的实用价值。凹凸棒土(Attapulgite,简称AT)是一种具有纤维状结构的水合镁铝硅酸盐。AT晶体形状为纤维状,其理想分子式为:[Mg5Si8O20(OH2)4·4H2O]。纤维长约0.5-1μm,直径50nm,长径比为20:1。
　　 聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)是重要的高分子工程材料。PS原料易得、性能好、成本低,主要缺点是耐热性差,脆性大。PU具有诸多优良特性,已广泛应用于各行业,然而热稳定性能和力学性能有待进一步改善。
　　 为了克服PS和PU的缺点,我们通过原位聚合的方法制备了PS/AT、PU/AT、PU/PS和AT/PU/PS互穿网络聚合物:
　　 1)采用原位聚合的方法成功地制备了PS/AT纳米复合材料。从TEM图可观察到AT不规则分散在PS基体中,DSC和DMA结果显示PS和AT之间存在相互作用,从而使得复合材料的热稳定性和玻璃化温度较纯PS都有明显提高。TGA结果显示随着AT含量的逐渐增大,复合材料的热稳定性得到改善。并且用Coats-Redfern方程描述了PS/AT纳米复合材料的热降解性能,结果表明:热分解活化能随着AT含量的增加而提高。
　　 2)采用原位聚合的方法成功地制备了PU/AT纳米复合材料。SEM观察表明AT能以纳米级别分散在PU基体中。DMA结果显示AT的加入使PU/AT复合材料的储能模量和Tg向高温移动,在整个温度范围内明显高于纯PU,并且由理论计算得出AT的加入增加了PU分子链的物理交联密度,提高了氢键断裂活化能。由于AT表面丰富的硅羟基能够与PU的硬段发生相互作用,增强了高分子间的键合力,从而提高了聚氨酯材料的拉伸断裂强度,并且在一定范围内提高了PU/AT纳米复合材料的断裂伸长,从而AT能提高PU/AT纳米复合材料的力学性能。
　　 3)采用原位聚合的方法成功地制备HPU/PS-IPNs(互穿网络)复合材料。2-羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)为端基的聚氨酯(HPU)由聚四氢(PTMG),二异氰酸酯(TDI)和HEMA聚合而成。在偶氮异丁腈(AIBN)引发作用下,HPU与单体苯乙烯(St)聚合成HPU/PS-IPNs。SEM与DMA测试显示,HPU/St为50/50时形成的网络中各组分相容性最好。力学测试结果表明,HPU/PS-IPNs在HPU/St为10/90时,其拉伸强度比纯PS提高了164％。
　　 4)采用原位聚合的方法成功地制备AT/HPU/PS-IPNs复合材料。凹凸棒土(AT)经过提纯,在超声波的作用下均匀分散在苯乙烯单体中,再加入聚氨酯大单体与引发剂AIBN,制备凹凸棒土(AT)/聚氨酯大单体/苯乙烯(PU/PS-IPNs)复合材料。SEM观察表明AT能以纳米级别分散在HPU/PS-IPNs基体中。DMA结果显示AT的加入使HPU/PS-IPNs复合材料的储能模量和Tg向高温移动。力学测试结果表明,AT/HPU/PS-IPNs复合材料比HPU/PS-IPNs具有更高的拉伸强度和冲击强度。