聚丙烯基纳米复合材料中介观粘土网络及其对大分子链松弛和取向行为的影响

摘要

本论文主要依照内部粘土网络结构－剪切场中流变行为－成型加工－制品多层次结构－材料宏观性能这一研究路线，对聚丙烯／有机化粘土纳米复合材料的结构－性能关系作了深入、系统地研究，是本课题组过去关于聚丙烯基纳米复合材料研究的延续和完善。采用有机化蒙脱土作为纳米无机填料，通过熔融共混方法在双螺杆挤出机中制备插层型的聚丙烯／有机化蒙脱土纳米复合材料。主要的内容可概括如下：研究所制备的复合材料内部的微观（纳米级）、介观结构，纳米填料对聚合物大分子链运动和松弛行为的影响；通过流变测试手段从大分子链水平来解释这类复合材料对剪切流场的响应行为；在实际注塑成型加工过程中对纳米复合材料熔体施加往复剪切场，并且对注塑制品的多层次结构进行了详细研究，归纳出了往复剪切在形成这种特殊的多层次结构中所起到的重要作用；将制品的宏观性能（结晶行为和力学性能）与内部的多层次结构联系起来进行综合考察，偏重于研究取向因素的影响。 经过二十几年来的研究发展，高分子学界对于聚合物／粘土纳米复合材料中的形态结构已经有了更本质的认识，提出了层状粘土粒子在其含量增加到一定程度时会形成的逾渗填料网络结构。这种所谓的逾渗粘土网络结构是由纳米级分散的插层型或剥离型的粘土粒子所组成，在尺度上要大于纳米级的插层或剥离结构，可被称作是一种介观结构。在我们的研究中，通过线性粘弹流变试验和TEM观察证实粘土网络结构确实存在于聚丙烯／蒙脱土纳米复合材料之中。正是由于随着粘土含量的增加将会形成逾渗的填料网络结构，使得复合材料的宏观性能随着粘土含量增加的发展趋势在形成填料网络结构前后是不一样的。为了描述聚丙烯分子链在逾渗粘土网络中的受限运动和松弛行为，我们采用应力松弛和结构恢复这两种流变测试方法来对其方式和机理进行研究。动态流变仪还被用来监测聚丙烯／蒙脱土纳米复合材料在往复剪切作用下熔体粘弹性能的变化，同时蒙脱土在剪切过程中的形态结构发展用XRD和TEM进行研究。将形态发展的观察结果与流变性能的变化结合起来，获得了有关剪切下复合材料形态结构发展更全面的认识。研究结果表明尽管蒙脱土的分散均匀程度是随着剪切过程的进行逐渐提高的，但由于剪切同时还造成了熔体初始凝聚态结构的破坏，使得纳米填料对基体的增强作用会出现一定的滞后。 采用动态保压注塑成型技术在实际的成型加工中将往复剪切场施加到聚丙烯／有机化蒙脱土熔体上，考察实际加工中往复剪切场对层状蒙脱土粒子的分散和剥离，以及对复合材料取向行为的影响。对于有机化蒙脱土在动态保压注塑样品中的分散和剥离主要通过XRD和TEM来研究，明确热力学（化学相容性）和动力学（剪切作用）的协同效应对蒙脱土分散和剥离的影响；在注塑样条中第一次发现了蒙脱土的加速剥离现象，并结合动态保压成型技术的特点，推测剪切应力在制样过程中特别是在保压后期的显著提高可能是造成所观察到的蒙脱土加速剥离的主要原因。通过2d-WAXS对动态保压注塑样品中层状蒙脱土粒子和聚丙烯片晶在三维空间内的取向结构进行详细研究，并且提出所观察到的独特的取向结构是由于剪切作用和粘土网络的结构恢复能力间的综合效用的结果。我们还进一步地阐明聚丙烯／蒙脱土纳米复合材料中流变行为－取向结构－拉伸性能的内在关系；结合流变行为和取向结构，对蒙脱土片层和聚丙烯分子链在剪切过程当中和剪切之后的取向和松弛行为进行讨论。通过热台偏光在线观察聚丙烯／蒙脱土纳米复合材料的二次结晶行为。经过研究发现在剪切放大效应和取向蒙脱土片层受限机理的共同作用下，使得聚丙烯在二次结晶中呈现为纤丝状晶体形态进行生长。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章粘土网络对大分子链运动和松弛行为的影响

第三章蒙脱土粒子在剪切作用下的分散与形态发展

第四章注塑成型中往复剪切引起粘土的分散和剥离

第五章注塑成型中往复剪切引起的多层次取向结构

第六章聚丙烯/粘土纳米复合材料中流变-取向关系

第七章取向层状粘土存在下的聚丙烯受限结晶行为

论文主要结论

发表论文情况

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