水滑石@石墨烯改性聚丙烯复合材料的制备及其形貌结构与结晶行为研究

摘要

水滑石(LDH)是一类新兴的环境友好型层状材料，归因其特殊的层状结构，LDH材料往往具有优异的理化性能。通过采用特定的改性剂与适当的改性方法，改性后的LDH材料通常可以引入带有特殊功能的目标客体分子，从而能够改变LDH材料的结构与性能，因而在塑料、环保、医药等领域众多领域都有着广泛的应用。尤其是当改性后的LDH材料作为纳米粒子添加到聚合物材料中，片层状的改性LDH纳米材料能够极大的改善其与聚合物材料的相容性，使其均匀地分散在聚合物基体材料中，形成聚合物纳米复合材料，从而提高聚合物纳米复合材料的部分性能。因此，对聚合物/LDH复合材料的探索逐渐成为广大科研学者的研究的热点。　　聚丙烯(PP)是一种常见的通用塑料，自身有很多优点，在日常生活中应用广泛。但是PP材料也存在缺点，为了改善其劣势性能，可以将改性后的LDH材料与PP进行复配，进而制备PP/LDH纳米复合材料，不仅可以使其保留固有优点，还能改善其劣势性能。　　本文首先采用硼酸(H3BO3)为无机离子改性剂，通过共沉淀法制备了无机改性LDH@石墨烯(GO)纳米杂化材料B-LDH@GO；采用9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)与亚甲基丁二酸(ITA)的加成产物DOPO-ITA为有机离子改性剂，通过阴离子交换法制备了有机改性LDH@GO纳米杂化材料DOPO-LDH@GO，并分别表征分析了所制备纳米杂化材料的形貌结构、性能和合成机理。进一步地以PP作为聚合物基体材料，通过熔融共混分别制备了PP/B-LDH@GO和PP/DOPO-LDH@GO纳米复合材料，表征并分析了各类PP复合材料的微观形貌结构，热稳定性，结晶性能以及结晶动力学。　　本文通过针对上述工作的开展，主要得到以下研究结果：　　(1)基于LDH纳米杂化材料的结构测试及表征：X-射线衍射分析(XRD)发现，B-LDH@GO和DOPO-LDH@GO的中LDH片层的层间距离有了不同程度的扩大，由Bragg公式可以算出层间距分别扩大至1.08nm和1.92nm，并且仍具有良好的层状结构。在傅里叶变换红外光谱(FTIR)和激光拉曼光谱(LRS)分析中，发现B-LDH@GO和DOPO-LDH@GO产生的特征官能团的清晰特征峰，可见目标阴离子被成功引入到LDH材料层间。通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察到，B-LDH@GO和DOPO-LDH@GO的表面明显粗糙，LDH片层和GO片层结合在一起，呈现一种层层堆叠的结构。X-射线光电子能谱(XPS )结果表明，两种杂化材料B-LDH@GO和DOPO-LDH@GO各自的片层间存在化学键作用力。热重分析(TGA)结果表明B-LDH@GO和DOPO-LDH@GO的热稳定性得到了一定程度的提高，残留量分别达到了61.1%和54.8%，这为B-LDH@GO和DOPO-LDH@GO材料的下一步应用打下了良好的基础。　　(2)PP/LDH@GO纳米复合材料的制备及表征：XRD的测试数据结果表明，制备的PP/B-LDH@GO纳米复合材料为剥离结构，而PP/DOPO-LDH@GO为插层结构。通过SEM图片观察到B-LDH@GO和DOPO-LDH@GO在PP基体中均有较好的分散，PP与这两种纳米粒子同时都具有较好的相容性。TGA结果表明，B-LDH@GO纳米粒子明显提高了PP复合材料的热稳定性能，T5%，T30%都有不同程度的增加且Tpeak降低，残留量增加，最高达到5.2%。DOPO-LDH@GO也降低了PP复合材料Tpeak，残留量增加，最高达到4.5%，T5%，T30%的降低可能归因于DOPO材料的初始分解温度较低。差示扫描量热仪(DSC)和偏光显微镜(POM)结果表明B-LDH@GO的加入使结晶温度提高并促进了PP的异相成核作用，结晶度最高达到58.1%。而DOPO-LDH@GO的加入也提高了复合材料的结晶温度和熔融温度，但却降低了复合材料的结晶度。　　(3)对PP/LDH@GO纳米复合材料进行了等温结晶、非等位结晶行为及其结晶动力学研究。DSC结果表明，纳米粒子B-LDH@GO在PP基体中有较好的分散，并且在PP的结晶过程中，纳米粒子起到了良好的异相成核作用。随着B-LDH@GO的添加量从2wt%增加至8wt%，PP纳米复合材料的结晶速率逐渐加快，结晶时间不断缩短，这表明纳米粒子促进了PP的结晶过程。而适量的纳米粒子DOPO-LDH@GO在PP基体中有良好的分散性，会加快PP结晶速率，减少结晶时间，促进结晶过程，但当添加量超过4wt%以后，DOPO-LDH@GO会阻碍分子链的运动，从而导致结晶速率下降。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2水滑石材料简介

1.2.1 水滑石材料的结构

1.2.2 水滑石材料的性质

1.2.3 水滑石材料的应用

1.3 水滑石材料的制备

1.3.1 水滑石材料的合成

1.3.2 水滑石材料的改性

1.4 聚合物/水滑石复合材料的研究

1.4.1 聚合物/水滑石复合材料的结构

1.4.2 聚合物/水滑石复合材料的制备

1.4.3 典型聚合物/水滑石复合材料研究进展

1.5 本论文的研究思路和主要内容

1.5.1 本论文的研究目的与思路

1.5.2 本论文研究的主要内容

1.5.3 本论文的创新点

1.5.4 本论文的技术路线

第二章 LDH@GO纳米材料的制备及表征

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验设备

2.2.3 B-LDH@GO 纳米材料的制备

2.2.4 DOPO-LDH@GO 纳米材料的制备

2.2.5 测试与表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 B-LDH@GO 杂化材料的结构与性能分析

2.3.2 DOPO-LDH@GO 杂化材料的结构与性能分析

2.4 本章小结

第三章 PP/LDH@GO纳米复合材料的制备及表征

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验原料

3.2.2 实验设备

3.2.3 PP/LDH@GO 纳米复合材料的制备

3.2.4 测试与表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 PP/B-LDH@GO 复合材料的结构与性能分析

3.3.2 PP/DOPO-LDH@GO 复合材料的结构与性能分析

3.4 本章小结

第四章 PP/LDH@GO纳米复合材料的结晶动力学

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 实验原料

4.2.2 实验设备

4.2.3测试与表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 PP/LDH@GO 纳米复合材料的等温结晶行为

4.3.2非等温结晶行为

4.4 本章小结

结论及展望

结论

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