黏土的表面改性及聚乙烯纳米复合材料的研究

论文摘要

聚乙烯是应用最为广泛的热塑性塑料之一,对于其聚合物纳米复合材料的研究无论是在基础研究还是工业应用方面都具有重要意义。但是由于在不加入相容剂的情况下,非极性的聚乙烯分子链与传统的铵盐插层黏土相容性较差,成功制备聚乙烯/黏土纳米复合材料仍然是一个重要的研究课题。本论文主要开展了黏土的表面改性和聚乙烯/黏土纳米复合材料的研究。从黏土的表面改性入手,包括层间结构的优化和表面接枝改性,研究了黏土的改性与聚乙烯纳米复合材料的结构和性能的关系。本论文研究的主要内容及结果如下。利用硅烷对黏土表面进行了接枝改性的研究,成功制备了表面接枝的黏土。系统研究了硅烷改性黏土的各种影响因素,溶剂,硅烷分子特性(烷基链长度,烷氧基,末端官能团),反应时间等条件,研究了接枝反应的机理和改性后黏土的结构特征与表面性质之间的关系。制备了不同改性方法的有机黏土,与传统的铵盐插层改性黏土相比,硅烷改性的有机黏土表现出明显的热稳定性和表面亲油性优势。研究了黏土在二甲苯和马来酸酐接枝聚乙烯中的分散,结果表明,铵盐和硅烷的协同作用将有利于黏土的分散,黏土的外表面和层间改性缺一不可。采用熔融共混法成功制备了聚乙烯黏土纳米复合材料,并发现硅烷改性后黏土与聚乙烯的相容性增加,导致黏土片层在聚乙烯中具有独特的择优取向结构。通过改变硅烷含量、硅烷链长和加工转速等条件可以增加取向的程度。提出了聚乙烯纳米复合材料的结构可控性,通过调节黏土的插层和改性工艺以及共混加工工艺,能有效控制黏土在聚乙烯体系中的取向、插层和剥离,在不加入相容剂的情况下,能实现黏土的插层和剥离,在此基础上提出了黏土在聚乙烯中的分散机理。研究结果表明,黏土在聚合物中的分散并不是仅仅依靠剪切力的“剥落”作用,同时也依靠聚合物向黏土层间扩散的过程。在研究聚乙烯/黏土纳米复合材料结构的基础上,系统研究了黏土表面改性与纳米复合材料性能的关系。研究了通过黏土改性调控的取向结构和剥离结构与材料力学性能关系,发现取向结构对材料力学性能的提高具有明显优势。研究了硅烷接枝改性、铵盐插层以及黏土的分散等因素对材料的紫外光氧化、热降解和热氧降解性能的研究。研究结果表明,硅烷改性覆盖了黏土表面的活性点,有利于延缓老化降解;而铵盐的催化作用会导致材料的加速老化;黏土的取向和均匀分散对于聚合物环境稳定性能具有明显增强作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 聚合物/黏土纳米复合材料综述
• 1.1.1 聚合物/黏土纳米复合材料的结构类型
• 1.1.2 聚合物/黏土纳米复合材料的表征技术
• 1.1.3 聚合物/黏土纳米复合材料的制备方法
• 1.1.4 聚合物/黏土纳米复合材料的性能
• 1.1.5 聚合物/黏土纳米复合材料的应用
• 1.2 聚烯烃/黏土纳米复合材料的研究进展
• 1.2.1 聚烯烃/黏土纳米复合材料的制备方法
• 1.2.2 对熔融共混制备聚烯烃/黏土纳米复合材料的思考
• 1.3 黏土的结构特征和表面改性
• 1.3.1 黏土的结构特征
• 1.3.2 黏土的表面改性
• 1.3.3 黏土表面改性的结论和展望
• 1.4 本论文的研究内容
• 参考文献
• 第二章 黏土的表面接枝改性研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料与试剂
• 2.2.2 无水体系中的黏土表面接枝改性
• 2.2.3 极性体系中的黏土表面接枝改性
• 2.2.4 酸化黏土的表面接枝改性
• 2.2.5 表征与分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 黏土表面接枝反应的表征
• 2.3.2 分散介质对表面接枝改性的影响
• 2.3.3 反应时间对表面接枝改性的影响
• 2.3.4 硅烷的特征对表面接枝改性的影响
• 2.3.5 改性黏土的表面性能
• 2.3.6 酸化黏土的表面接枝改性
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 改性黏土在溶剂和马来酸酐接枝聚乙烯中的分散能力
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料与试剂
• 3.2.2 黏土的改性
• 3.2.3 有机黏土分散液的制备
• 3.2.4 HDPE-g-MA/黏土复合材料的制备
• 3.2.5 表征与分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 有机黏土在二甲苯中的分散
• 3.3.2 HDPE-g-MMA/黏土复合材料的分散
• 3.3.3 HDPE-g-MMA/黏土复合材料的热稳定性和结晶性能
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 聚乙烯/黏土纳米复合材料的取向结构研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料与试剂
• 4.2.2 黏土的表面改性
• 4.2.3 PE/黏土纳米复合材料的制备
• 4.2.4 分析与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 硅烷改性黏土的表征
• 4.3.2 黏土在PE/黏土纳米复合材料中的分散和取向
• 4.3.3 力学性能研究
• 4.3.4 热稳定性研究
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 黏土改性方法、加工工艺与聚乙烯纳米复合材料的结构性能关系的研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 原料与试剂
• 5.2.2 黏土的表面改性
• 5.2.3 PE/黏土纳米复合材料的制备
• 5.2.4 分析与表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 黏土改性对PE 纳米复合材料结构的影响
• 5.3.2 加工条件对PE 纳米复合材料结构的影响
• 5.3.3 PE/黏土纳米复合材料的分散机理
• 5.3.4 PE/黏土纳米复合材料拉伸力学性能的研究
• 5.3.5 PE/黏土纳米复合材料的动态力学性能研究
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 聚乙烯/黏土纳米复合材料的光老化、热降解和热氧降解
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 原料与试剂
• 6.2.2 黏土的表面改性
• 6.2.3 PE/黏土纳米复合材料的制备
• 6.2.4 紫外光氧化实验
• 6.2.5 分析与表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 PE/黏土复合材料的结构表征
• 6.3.2 PE/黏土复合材料的紫外光氧化研究
• 6.3.3 PE/黏土复合材料的热降解研究
• 6.3.4 PE/黏土复合材料的热氧降解研究
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 博士在读期间发表论文及申请专利目录
• 致谢