水滑石的结构、组成调控及其对聚丙烯的诱导结晶作用研究

摘要

聚丙烯(PP)是一类综合性能优异的高分子材料，被广泛应用于食品加工、交通运输、航空航天等诸多领域。但其结晶度较低，存在加工周期长、低温容易脆裂、韧性不足等缺点，在一定程度上限制了其使用性能。通过在聚丙烯基质中加入成核剂，可以显著增加成核位点、提高成核及结晶速率、降低球晶尺寸，从而改善其力学性能。此外，成核剂的加入也会引起聚丙烯结晶方式以及结晶形态的变化，诱导生成不同晶型的聚丙烯，为调控聚丙烯的功能提供了极大空间。层状双金属氢氧化物（简称水滑石，LDHs）作为一类无机纳米材料，具有层板金属元素可调、层间阴离子可交换、形貌可调控等特点，被广泛应用于许多高分子材料中，以提高聚合物材料的热稳定性、阻燃性、气体阻隔性能等。但是，将LDHs作为PP成核剂的研究鲜见报道，该领域主要有两类问题亟需解决:(1)如何揭示LDHs作为成核剂对PP的成核/结晶机理的影响，为成核剂的设计和制备提供理论指导;(2)如何通过调变LDHs的结构和组成，实现对不同晶型PP的诱导结晶作用调控。为了解决以上问题，本论文开展了如下工作:
　　1、MgAl-LDHs尺寸调控及其对α-PP的诱导结晶作用研究
　　采用水热法和均相共沉淀法制备了两种不同粒径大小（纳米尺寸和微米尺寸）的MgAl-LDHs，将其作为α-PP成核剂;利用溶液复合法制备了PP/LDHs复合材料（含纳米、微米尺寸LDHs的复合材料分别命名为1-PPLx和2-PPLx，x为复合材料中LDHs的质量百分比），研究了LDHs对α-PP的成核结晶作用。研究发现:LDHs作为无机成核剂，对α-PP具有促进成核结晶的作用，其结晶峰温度显著提升（1-PPL5和2-PPL5分别提升8.5和12.1℃），等温结晶速率明显加快，且微米尺寸的LDHs对PP具有更加优异的成核结晶作用。与前人报道的其它无机纳米成核剂相比，微米尺寸LDHs对PP结晶峰温度的提升作用更为显著。通过Avrami动力学分析和Lauritzen-Hoffman理论，揭示了LDHs以异相成核方式诱导PP结晶，且大粒径的LDHs可以更加显著降低PP的链端表面自由能以及临界成核自由能。此外，随着LDHs加入量的增加，PP的球晶密度变大、球晶尺寸显著减小;对LDHs热导率的测试表明LDHs与聚丙烯热导率失配是诱导PP成核过程的关键因素。此外，LDHs的加入显著改善了PP的热稳定性、气体阻隔及阻燃性能，该类复合材料有望应用于食品/药物包装及工程塑料领域。
　　2、PA@CaAl-LDHs复合型成核剂的制备及其对β-PP的诱导结晶作用研究
　　首先通过共沉淀法制备了CaAl-LDHs，采用庚二酸(PA)对其表面进行修饰，得到了PA@CaAl-LDHs复合型PP成核剂;采用溶液复合方式制备了PP/PA@CaAl-LDHs复合材料，研究了PA@CaAl-LDHs对PP的诱导结晶作用。研究发现:PA@CaAl-LDHs不仅提高了α-PP的成核密度，减小了球晶尺寸，而且诱导出现一定比例的β晶型PP;作为对照样品，CaAl-LDHs、PA及PA@MgAl-LDHs均不能诱导β-PP的结晶，说明LDHs的组成和表面特性对诱导β-PP的结晶起到重要作用。相比于PA@MgAl-LDHs，PA@CaAl-LDHs更加显著提升了α-PP的结晶温度，并且α-PP的结晶速率更快。利用Turner-Jones公式计算出β-PP的相对含量随着PA@CaAl-LDHs成核剂中PA比例的增加而增大。进一步揭示了PA@CaAl-LDHs诱导β-PP的作用机制:PA修饰在CaAl-LDHs表面，与层板上的Ca2+发生了强相互作用;CaAl-LDHs促进了α-PP的结晶，而PA则诱导生成了β-PP，二者的协同作用导致PA@CaAl-LDHs同时表现出对α-PP的促进结晶和β-PP的诱导结晶作用。本工作为设计新型PP成核剂及其晶型调控提供了新思路，具有潜在的应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 聚丙烯／无机纳米复合材料

1．2．1 聚丙烯概述

1．2．2 聚丙烯／无机纳米复合材料研究进展

1．3 PP／LDHs复合材料研究进展

1．3．2 PP／LDHs复合材料研究进展

1．4 本论文的研究内容、目的和意义

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究目的和意义

第二章 MgAl-LDHs的制备及其对α-PP的成核结晶作用研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料

2．2．2 PP／LDHs复合材料的制备

2．2．3 LDHs及PP／LDHs复合材料的表征

2．2．4 实验表征仪器

2．3 结果与讨论

2．3．1 水滑石以及复合材料的结构表征

2．3．2 PP／LDHs复合材料的结晶行为

2．3．3 LDH诱导PP结晶机理研究

2．3．4 PP／LDHs复合材料的物理性质研究

2．5 小结

第三章 PA@CaAl-LDHs成核剂的制备及其对β-PP的诱导结晶作用研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料

3．2．2 PP／PA@CaAl-LDHs复合材料的合成

3．2．3 PA@CaAl-LDHs及复合材料的表征

3．2．4 实验表征仪器

3．3 结果与讨论

3．3．1 CaAl-LDHs和PA@CaAl-LDHs的结构与形貌研究

3．3．2 PP／PA@CaAl-LDHs复合材料结晶行为研究

3．3．3 PP／PA@CaAl-LDHs复合材料结晶结构及形态研究

3．4 小结

第四章 结论

本论文创新点

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介