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聚氯乙烯/埃洛石纳米管纳米复合材料的结构与性能

2020-12-11阅读(346)

聚氯乙烯/埃洛石纳米管纳米复合材料的结构与性能

论文摘要

本论文将具有天然纳米管结构的埃洛石纳米管（Halloysite nanobutes, HNTs）应用于热塑性塑料聚氯乙烯（Poly（vinyl chloride）, PVC）,通过熔融共混和原位聚合两种方法制备了性能优良的PVC/HNTs纳米复合材料,系统深入地研究了纳米复合材料的制备、结构与性能,详细研究了HNTs的表面改性对HNTs与PVC的界面结合和复合材料结构与性能的影响。具体研究工作,主要包括以下五个方面:（1）将未经改性的HNTs应用于PVC,通过熔融混炼法制备PVC/HNTs纳米复合材料。结果表明,未经改性的HNTs能够通过传统的成型加工工艺较为均匀地分散在PVC基体中,对PVC同时产生增韧和增强作用,特别是韧性有大幅度的提高。HNTs中的Si-O与PVC中（CHCl）的α-H之间能够形成界面氢键作用。HNTs的加入明显改变了PVC材料的断面形貌,均匀分散的HNTs导致了基体的塑性变形,呈现出韧性断裂特征。其增韧机理主要是通过形成空穴增韧。（2）研究了未经改性的HNTs对PVC/HNTs纳米复合材料热性能与阻燃抑烟性能的影响。HNTs的加入能够提高PVC/HNTs纳米复合材料的维卡软化温度和热变形温度。动态热降解动力学研究结果表明,PVC/HNTs纳米复合材料的热分解表观活化能随着HNTs的增加而增加,说明HNTs的加入提高了复合材料的热稳定性。采用锥形量热仪、建材烟密度测试以及氧指数测试评价了材料的阻燃抑烟性能,结果表明, HNTs的加入显著地降低了材料的生烟速率、总烟量和热释放速率峰值,并提高了材料的氧指数值,表现出一定的阻燃抑烟效果。（3）为了提高HNTs与PVC的界面结合,采用γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（MPS）对HNTs的表面进行改性,研究了改性HNTs（m-HNTs）对复合材料结构与性能的影响。HNTs的表面改性能够增加HNTs与PVC间的相容性,m-HNTs更加均匀地分散于PVC基体中,并且被很好地包埋在PVC基体中,脱粘的纳米粒子显著减少。m-HNTs对PVC/m-HNTs纳米复合材料同时起到了增韧、增强的作用,相对于添加未改性的HNTs,PVC/m-HNTs纳米复合材料具有更高的力学性能。m-HNTs对复合材料热性能和加工性能的提高也有较好的效果。PVC/m-HNTs纳米复合材料的平衡转矩稍有降低,加工性能稍优于PVC。（4）通过在HNTs表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）,制备了PMMA接枝改性的埃洛石纳米管（HNTs-g-PMMA）,并详细研究了PVC/HNTs-g-PMMA纳米复合材料的力学性能、热性能、微观结构及增韧增强的机理。由于PMMA与PVC良好的相容性及高分子链间相互缠结的特点,提高了HNTs与PVC的相容性。HNTs-g-PMMA在PVC基体中分散均匀,并且有很好的取向。HNTs-g-PMMA可以显著提高PVC纳米复合材料的韧性、强度和模量。PVC/HNTs-g-PMMA纳米复合材料的冲击断面凹凸不平,特别是在HNTs粒子周围,基体发生了显著的塑性变形,消耗了大量的冲击能,从而提高了韧性。同时,HNTs在两断层间之间的桥连作用也提高了材料的韧性。HNTs-g-PMMA对提高PVC复合材料热稳定性也起到了一定的效果,提高了复合材料的玻璃化转变温度,初始分解温度以及最大降解速率温度。（5）采用原位悬浮聚合的方法制备PVC/HNTs纳米复合材料。在PVC大分子生成的过程中,使纳米粒子分散到PVC分子内部,以期获得增韧效果更加显著的PVC/HNTs纳米复合材料。随着HNTs加入量的增加,树脂粒径显著减小,粘数减小,外形变得规整,圆形度提高,表观密度增加,吸油率下降。将树脂通过熔融加工的方法得到PVC/HNTs纳米复合材料,发现HNTs均匀分散于基体中。与PVC相比,PVC/HNTs纳米复合材料的冲击强度得到显著提高,耐热性有一定的改善,并且有较好的加工性能。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 聚氯乙烯的改性
  • 1.2.1 聚氯乙烯的增韧改性
  • 1.2.2 聚氯乙烯纳米复合材料
  • 1.2.3 聚氯乙烯的耐热改性
  • 1.3 天然无机纳米管——埃洛石纳米管
  • 1.3.1 埃洛石纳米管的结构特征和性质
  • 1.3.2 埃洛石纳米管的应用
  • 1.4 聚合物/埃洛石纳米管纳米复合材料
  • 1.4.1 橡胶/埃洛石纳米管纳米复合材料的研究
  • 1.4.2 塑料/埃洛石纳米管纳米复合材料的研究
  • 1.5 本研究的目的与主要内容
  • 1.5.1 本研究的目的与意义
  • 1.5.2 本研究的主要内容
  • 1.5.3 本文的创新之处
  • 第二章 埃洛石纳米管对聚氯乙烯的增韧和增强作用
  • 2.1 引言
  • 2.2 试验部分
  • 2.2.1 试验原料
  • 2.2.2 PVC/HNTs 纳米复合材料的制备
  • 2.2.3 测试与表征
  • 2.3 结果与讨论
  • 2.3.1 PVC/HNTs 纳米复合材料的力学性能
  • 2.3.2 PVC/HNTs 纳米复合材料的动态力学分析
  • 2.3.3 PVC/HNTs 纳米复合材料的形态
  • 2.3.4 PVC/HNTs 纳米复合材料的界面作用
  • 2.3.5 PVC/HNTs 纳米复合材料的流变性能
  • 2.4 本章小结
  • 第三章 聚氯乙烯/埃洛石纳米管纳米复合材料的热性能
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验部分
  • 3.2.1 原料
  • 3.2.2 试样的制备
  • 3.2.3 测试与表征
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 PVC 与PVC/HNTs 纳米复合材料的耐热性能
  • 3.3.2 PVC 与PVC/HNTs 纳米复合材料的热分解过程
  • 3.3.3 PVC 与PVC/HNTs 纳米复合材料热降解逸出气体的红外分析
  • 3.3.4 PVC 与PVC/HNTs 纳米复合材料的热降解动力学
  • 3.3.5 PVC 与PVC/HNTs 纳米复合材料的阻燃抑烟性能
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 MPS改性埃洛石纳米管填充聚氯乙烯的结构与性能
  • 4.1 引言
  • 4.2 实验部分
  • 4.2.1 主要原料
  • 4.2.2 HNTs 的表面改性
  • 4.2.3 PVC/m-HNTs 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 HNTs 和m-HNTs 的结构和性质
  • 4.3.2 PVC/m-HNTs 纳米复合材料的力学性能
  • 4.3.3 PVC/m-HNTs 纳米复合材料的动态力学分析
  • 4.3.4 PVC/m-HNTs 纳米复合材料的形态
  • 4.3.5 PVC/m-HNTs 纳米复合材料的耐热性能
  • 4.3.6 PVC/m-HNTs 纳米复合材料的流变性能
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 PVC/HNTs-g-PMMA纳米复合材料的结构与性能
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验部分
  • 5.2.1 主要原料
  • 5.2.2 HNTs 表面接枝与复合材料的制备
  • 5.2.3 测试与表征
  • 5.3 结果和讨论
  • 5.3.1 HNTs-g-PMMA 的表征
  • 5.3.2 PVC/HNTs-g-PMMA 纳米复合材料的微观形貌
  • 5.3.3 PVC/HNTs-g-PMMA 纳米复合材料的动态力学分析
  • 5.3.4 PVC/ HNTs-g-PMMA 纳米复合材料的热性能
  • 5.3.5 PVC/HNTs-g-PMMA 纳米复合材料的力学性能
  • 5.3.6 PVC/HNTs-g-PMMA 纳米复合材料的增韧增强机理
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 原位聚合法制备聚氯乙烯/埃洛石纳米管纳米复合材料的结构与性能
  • 6.1 引言
  • 6.2 实验部分
  • 6.2.1 原料
  • 6.2.2 树脂的合成
  • 6.2.3 PVC/HNTs 纳米复合材料的制备
  • 6.2.4 测试与表征
  • 6.3 结果与讨论
  • 6.3.1 树脂的性能
  • 6.3.2 PVC/HNTs 纳米复合材料的力学性能
  • 6.3.3 PVC/HNTs 纳米复合材料的动态力学分析
  • 6.3.4 PVC/HNTs 纳米复合材料的热性能
  • 6.3.5 PVC/HNTs 纳米复合材料的形态
  • 6.3.6 PVC/HNTs 纳米复合材料的流变性能
  • 6.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间取得的研究成果
  • 致谢
  • 附件

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