工程塑料/蒙脱土纳米复合材料的制备、结构与性能研究

摘要

该文以尼龙-1010和聚对苯二甲酸丙二醇酯为基体,采用不同方法制备了它们与蒙脱土的纳米复合材料.采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)、差示扫描量热仪(DSC)和万能拉力机等设备对制备所得的复合材料进行分析测试.使用同向双螺杆挤出机采用熔融插层法成功制备了尼龙-1010/蒙脱土纳米复合材料.XRD和TEM结果表明所制备的尼龙-1010/蒙脱土纳米复合材料具有剥离型或插层型结构.纳米复合材料的力学性能,包括拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量,都优于纯尼龙-1010.由于蒙脱土纳米片层的优良的阻隔性能,纳米复合材料在空气中的热稳定性和阻燃性能极大提高.蒙脱土的刚性使得尼龙-1010/蒙脱土纳米复合材料的储能模量升高.同时,由于蒙脱土片层对尼龙-1010分子链具有较强的束缚作用导致尼龙-1010的玻璃化转变温度升高.采用等温和非等温结晶动力学对比分析了蒙脱土加入前后尼龙-1010基体结晶性能的变化.结晶动力学数据显示,分散在尼龙-1010基体中的纳米尺寸的蒙脱土片层提高了基体的结晶能力,起到异相成核剂的作用.针对尼龙-1010/蒙脱土纳米复合材料冲击韧性较差的缺点,我们选取了耐候性较好的马来酸酐接枝饱和聚烯烃弹性体(POE-g-MAH)对纳米复合材料进行了增韧改性研究.SEM分析表明,由于POE-g-MAH所含的马来酸酐基团可以与尼龙-1010的端氨基发生化学反应,改善了两者的相容性.POE-g-MAH能够形成尺寸很小的相畴均匀分散在尼龙-1010/蒙脱土纳米复合材料基体中,起到了很好的增韧作用.当POE-g-MAH含量高于15 wt﹪时,纳米复合材料具有很好的常温和低温冲击性能.选用三种有机改性蒙脱土,采用熔融插层法制备了聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)/蒙脱土纳米复合材料.结果表明,不同种类的蒙脱土与PTT基体间的相互作用不同,导致所得纳米复合材料的不同形态:插层型或剥离型,进而影响材料的力学性能、热稳定性等方面.但是无论哪种蒙脱土的加入都改善了PTT基体的力学性能、热稳定性和动态储能模量.等温和非等温结晶动力学分析表明,分散在PTT基体中的纳米蒙脱土片层对PTT同样具有异相成核的作用.偏光显微镜的观察结果显示,蒙脱土的加入细化了球晶尺寸,进一步证明了蒙脱土的异相成核剂作用.采用原位聚合法合成了PTT/蒙脱土纳米复合材料.聚合释放的热量没有促使蒙脱土片层完全剥离在PTT基体中,当蒙脱土含量超过1 wt﹪时,纳米复合材料主要形成部分剥离结构.与纯PTT相比,蒙脱土的加入提高了PTT基体的拉伸强度、热稳定性和结晶性能.