有机改性水滑石/聚烯烃纳米复合材料的制备及其性能研究

摘要

水滑石(LDHs)作为一种新型的层状材料，层板的构成及层间阴离子均具有可变性，可以被用作阻隔、吸附材料等。LDHs由于粒径较小在基体中能以纳米尺度分散从而形成纳米复合材料，通常具有比一般复合材料更好的性能，因而引起了广大学者们的研究兴趣。
　　聚烯烃材料以其优良的性价比、力学性能以及绝缘性能在农业、包装、医疗、电器等领域应用非常广泛。本文以高密度聚乙烯(HDPE)和低密度聚乙烯(LDPE)作为聚合物基体，以水滑石作为填料，乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)作为增容剂，制备聚烯烃/水滑石纳米复合材料。为了加强水滑石与聚烯烃基体之间的粘结性，我们采取十二烷基磷酸酯钾盐(MAPK)作为有机阴离子改性剂，利用LDHs层间阴离子可替换的特征，通过层间阴离子互换的方法对碳酸根插层的镁铝水滑石(LDH)进行有机改性，得到有机改性水滑石(OM-LDH)，OM-LDH的结构与性能可通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X-射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及热重分析(TGA)来进行测试及表征。采用熔融法直接共混分别制备了HDPE/OM-LDH纳米复合材料、HDPE/EVA/OM-LDH纳米复合材料及LDPE/EVA/OM-LDH纳米复合材料。样品的内部结构采用XRD、FTIR和SEM进行分析和表征;材料的热性能采用TGA和差示扫描量热仪(DSC)来研究;填料对基体力学性能的影响则通过拉伸测试来研究。
　　研究结果表明:
　　(1)LDH经过MAPK有机改性之后，FTIR谱中出现了MAPK的特征峰，由Bragg定律计算得出层间距由原本的0.74 nm增长到3.68 nm，且得到的OM-LDH保持着较好的有序层状构造。OM-LDH的形貌与LDH相比，形状变得不规则，表面也变得粗糙。FTIR、XRD、SEM的结果充分说明成功制备了有机改性水滑石。TGA的结果证明了OM-LDH的疏水性，但是由于磷酸根的存在降低了OM-LDH的热稳定性能。
　　(2)以HDPE为基体，采用熔融法直接共混得到HDPE/OM-LDH纳米复合材料，XRD测试结果表明当OM-LDH的添加量低于6wt％时，形成的是部分剥离的结构，添加量达到8 wt％时则形成的是插层结构。SEM结果表明有机改性能够加强水滑石与基体间的粘结性。DSC结果表明OM-LDH的加入对结晶温度和熔融温度没什么影响，但OM-LDH作为异相具有优于LDH的成核作用，对HDPE结晶度具有很大的影响，最高能达到64％。但OM-LDH的加入催化了HDPE的降解，劣化了基体HDPE的热稳定性能，且随着OM-LDH的含量的增多，劣化趋势越明显。
　　(3)为了加强HDPE与OM-LDH的界面粘结情况，引入EVA作为增容剂，制威了HDPE/EVA/OM-LDH纳米复合材料。当OM-LDH含量较低（低于6 wt％）时，形成了剥离结构。从SEM图可以看到，EVA的加入明显的提高了OM-LDH的分散性同时也改善了与基体间的相容性，这就有利于HDPE性能的加强。HDPE/EVA/OM-LDH纳米复合材料在高温下的热稳定性能要明显优于HDPE/EVA及HDPE/EVA/LDH，说明当相容性好时，有机改性能有效增强聚合物的耐高温性。且添加4 wt％的OM-DLH不仅能形成剥离结构，其热稳定性能也是最优的。
　　(4)为了研究OM-LDH对不同聚烯烃的影响，改用LDPE为基体，并添加EVA，制备了LDPE/EVA/OM-LDH纳米复合材料，由于LDPE分子链中含有部分支链，这将对LDPE分子链的运动产生阻碍作用，最终形成了插层结构。SEM图显示有机改性是改善水滑石与LDPE间相容问题有效的方法。OM-LDH依然能明显提高LDPE的结晶度，但只有OM-LDH添加量为6 wt％时LDPE/EVA的热稳定性能到提升。总的来说，添加6 wt％的OM-LDH能取得最优的结晶度和热稳定性。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 前言

1．1 引言

1．1 水滑石材料

1．1．1 水滑石材料的结构特性

1．1．2 水滑石材料的有机改性

1．1．3 水滑石材料的应用

1．2 水滑石／聚合物纳米复合材料研究进展

1．2．1 水滑石／聚合物纳米复合材料的分类

1．2．2 水滑石／聚合物纳米复台材料的制备

1．2．3 水滑石／聚合物纳米复合材料的研究进展

1．3 水滑石在聚烯烃材料中的应用

1．3．1 聚乙烯脚滑石纳米复合材料

1．3．2 聚丙烯俅滑石纳米复合材料

1．4 本论文的研究思路和主要研究内容

1．4．1 本论文研究的目的意义与思路

1．4．2 本论文研究的主要内容

1．4．3 本论文的创新点

第二章 水滑石的有机改性及表征

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 主要原料

2．2．2 实验设备

2．2．3 有机改性水滑石的制备

2．2．4 测试与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 红外光谱分析

2．3．2 X射线衍射分析

2．3．3 微观形貌分析

2．3．4 热稳定性能分析

2．4 本章小结

第三章 HDPE／水滑石纳米复合材料的结构与性能

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 主要原料

3．2．2 实验设备

3．2．3 高密度聚乙烯／水滑石复合材料的制备

3．2．4 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 红外光谱分析

3．3．2 XRD分析

3．3．3 形貌分析

3．3．4 热稳定性能分析

3．3．5 结晶性能分析

3．4 本章小结

第四章 HDPE／EVA／水滑石纳米复合材料的结构与性能

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 主要原料

4．2．2 实验设备

4．2．3 HDPE／EVA／LDH纳米复合材料的制备

4．2．4 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 红外分析

4．3．2 XRD分析

4．3．3 形虢分析

4．3．4 热稳定性能分析分析

4．3．5 结晶性能分析

4．4 本章小结

第五章 LDPE／EVA／水滑石纳米复合材料的结构与性能

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 主要原料

5．2．2 实验设备

5．2．3 LDPE／EVA／OM-LDH纳米复合材料的制备

5．2．4 测试与表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 红外分析

5．3．2 XRD分析

5．3．3 形貌分析

5．3．4 热稳定性能分析

5．3．5 结晶性能分析

5．3．6 力学性能分析

5．4 本章小结

结论及展望

参考文献

攻读硕士学位期间已发表(拟发表)的论文及申请的专利

致谢