基于PC/PBT共混物纳米复合材料的制备及其结构性能表征

摘要

聚合物共混改性已经成为开发具有优异物理化学性质的新材料的一种最具吸引力的方法。这种方法简单有效而又经济实惠，并且具有共混物的结构易于调控，性能可以取长补短等优点，因而获得了广泛应用与推广。聚对苯二甲酸丁二醇酯(Poly(butyleneterephthalate)，PBT)具有良好的机械强度和韧性，优异的耐热性和耐化学腐蚀性，良好的加工性能等特点;聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)则具有冲击韧性好，抗蠕变性能优异以及尺寸稳定性好等特点。将PC和PBT共混，可以形成良好的互补，非晶的PC提供耐冲击性和韧性，而结晶的PBT则提供耐化学腐蚀性和热稳定性。然而，由于PC和PBT均属于缺口敏感型材料，共混物的缺口冲击强度较低;两者之间酯交换反应的发生会抑制PBT的结晶，导致共混物耐热性和耐化学腐蚀性降低。这些不足之处都影响着PC/PBT共混物的使用前景。因此，PC/PBT共混物的改性显得尤为重要且具有较大的商业潜力。
　　本论文以PC/PBT共混物作为研究对象，首先考察了马来酸酐接枝苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯共聚物(Maleic anhydride grafted styrene-ethylene-butylene-styrene，SEBS-g-MAH)、马来酸酐接枝聚烯烃弹性体(Maleic anhydride grafted polyolefinelastomer, POE-g-MAH)以及马来酸酐接枝丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Maleieanhydride grafted acrylonitrile butadiene styrene copolymers，ABS-g-MAH)三种不同的弹性体对PC/PBT共混物性能和结构的影响;接着以碳纳米管(Carbon nanotubes，CNTs)作为纳米填料，研究了CNTs对PC/PBT共混物机械性能、相形貌、结晶性能以及电学性能的改性作用;最后将少量SEBS-g-MAH与CNTs同时引入PC/PBT共混物中，通过一步法来制备PC/PBT/SEBS-g-MAH/CNTs纳米复合材料，系统研究了CNTs含量对PC/PBT/SEBS-g-MAH共混物机械性能、相形貌、结晶性能以及电学性能的影响，在此基础上阐述了CNTs与弹性体协同增韧PC/PBT共混物的作用机制。得到的主要研究成果如下:
　　(1)在PC/PBT共混物中分别引入SEBS-g-MAH、POE-g-MAH以及ABS-g-MAH，采用熔融共混法制备了不同的共混物。研究了弹性体的种类以及含量对PC/PBT共混物机械性能的影响，从热力学角度对弹性体在PC/PBT共混物中的分布进行了预测，并采用扫描电子显微镜（Scanning electron microscope，SEM）观察具体形貌予以验证。结果表明三种弹性体都具有一定的增韧效果。分析认为:增韧机理主要有弹性体粒子与共混物基体界面间存在有利于增韧的空穴;弹性体的加入抑制了PC与PBT之间的酯交换反应。其中SEBS-g-MAH与POE-g-MAH的增韧效果较好，而ABS-g-MAH则效果不佳，这是因为前者分布在PBT组分中形成了有利于增韧的核壳结构，而后者分散在PC相中并没有这样的效果。此外通过调整PC/PBT的组分比，调控共混物的特殊形貌，在弹性体含量较低的情况下实现了对共混物冲击韧性的改善。
　　(2)通过向PC/PBT共混物中引入CNTs制各三元纳米复合材料，研究了CNTs对PC/PBT(50/50以及80/20)共混物机械性能、相形貌、结晶性能以及电学性能的影响。结果表明CNTs具有优异的成核作用，可以较大程度地提高共混物中PBT的结晶能力，从而抑制PC与PBT之间的酯交换反应。此外，CNTs可以提高共混物的冲击韧性，引入2 wt％ CNTs可以使PC/PBT(50/50)共混物的缺口冲击强度提高58.3％;使PC/PBT(80/20)共混物的缺口冲击强度提高50.9％。PC/PBT(80/20)体系的断裂伸长率也由14.3％提高到100％。流变测试表明CNTs可以形成导电逾渗网络结构，这是复合材料体积电阻率降低的主要原因。
　　(3)向PC/PBT共混物中同时引入少量SEBS-g-MAH弹性体以及不同含量的CNTs，采用一步法熔融共混成功制备了超韧纳米复合材料。PC/PBT(50/50)体系中CNTs含量越高，复合材料缺口冲击强度的提高越明显，当CNTs含量达到2wt％时，复合材料的缺口冲击强度提高到43 kJ/m2。PC/PBT(80/20)体系中，在引入少量弹性体的基础上，进一步引入CNTs，成功制备了0℃缺口冲击强度高达60 kJ/m2的PC/PBT共混物基超韧纳米复合材料。分析认为其增韧机理主要有以下几个方面:第一，SEBS-g-MAH和CNTs的加入会抑制PC与PBT组分之间的酯交换反应，较大程度上提高了PBT的结晶能力。第二，分散的SEBS-g-MAH粒子在体系中起到了冲击改性剂的作用。第三，CNTs的加入可以减小SEBS-g-MAH的分散粒径及粒间距，也可以增强SEBS-g-MAH粒子与其他组分的界面结合力，这都有利于材料韧性的提高。最后，CNTs在体系中可以起到连接各相的桥联作用，传递各相之间的应力，避免应力集中导致的材料失效。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 前言

1．1 聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯概述

1．1．1 聚碳酸酯简介

1．1．2 聚对苯二甲酸丁二醇酯简介

1．2 聚碳酸酯／聚对苯二甲酸丁二醇酯共混物的研究

1．2．1 聚碳酸酯／聚对苯二甲酸丁二醇酯的酯交换反应

1．2．2 聚碳酸酯／聚对苯二甲酸丁二醇酯共混物改性研究进展

1．3 碳纳米管概述

1．3．1 碳纳米管简介

1．3．2 碳纳米管对共混物相形貌的影响

1．3．3 碳纳米管对共混物结晶性能的影响

1．3．4 碳纳米管对共混物电学性能的影响

1．3．5 碳纳米管对共混物力学性能的影响

1．4 本论文的目的、意义及主要研究内容

1．4．1 本论文的目的和意义

1．4．2 本论文的主要研究内容

第二章 弹性体对PC／PBT共混物结构性能的影响

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验设备

2．2．3 样品的制备

2．2．4 测试与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 宏观力学性能分析

2．3．2 共混物形态结构的热力学推导与预测

2．3．3 形貌分析

2．3．4 熔融与结晶行为分析

2．3．5 增韧机理分析

2．4 本章小结

第三章 CNTs对PC／PBT共混物结构和性能的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验设备

3．2．3 样品的制备

3．2．4 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 CNTs在共混物中的分散

3．3．2 结晶与熔融行为分析

3．3．3 CNTs对复合材料力学性能的影响

3．3．4 电学性能分析

3．4 本章小结

第四章 CNTs与弹性体的协同作用对PC／PBT共混物结构和性能的影响

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验设备

4．2．3 样品的制备

4．2．4 测试与表征

4．3 50／50体系结果与讨论

4．3．1 宏观力学性能分析

4．3．2 形貌分析

4．3．3 流变行为分析

4．3．4 结晶与熔融行为分析

4．3．5 松弛行为分析

4．3．6 电学性能分析

4．3．7 增韧机理分析

4．4 80／20体系结果与讨论

4．4．1 宏观力学性能分析

4．4．2 形貌分析

4．4．3 松弛行为分析

4．4．4 结晶与熔融行为分析

4．4．5 增韧机理分析

4．5 本章小结

结论及展望

致谢

参考文献

附表

攻读硕士学位期间发表与拟发表的论文