微—纳米SiC/聚丙烯复合材料的制备与表征研究

论文摘要

聚丙烯（PP）与其他热塑性塑料相比,具有良好的加工性、较高的屈服强度和低成本等特点,在汽车配件、日用电器等方面有广泛应用。但是,纯的PP材料模量低、热稳定性差,在工程塑料中应用受到限制,因此,需要对PP材料进行增强增韧改性。橡胶弹性体改性PP材料能提高韧性但降低了PP材料的刚性、尺寸稳定性和耐热性。非功能性无机刚性粒子改性虽能增强增韧PP,但不能赋予PP材料功能性。论文以PP材料的“结构-功能”一体化为目标,选用半导体性能的SiC粒子为改性剂,在实现SiC粒子增强增韧PP的同时,赋予PP材料抗静电等功能特性。论文采用硅烷、钛酸酯等偶联剂对微米、微-纳米组合SiC粒子进行表面改性,制得填充PP用SiC粒子;表面改性处理过的SiC粒子与PP经混合、挤出、注射成型等工序制备SiC/PP复合材料;按国标对SiC/PP标准试样进行力学、热学和抗静电性能检测。系统研究了偶联剂的用量、偶联剂的种类以及SiC粒子的种类与用量(ΦSiC:0～50%)对SiC/PP体系性能的影响,得到如下主要结果:（1）改性微-纳米SiC/PP复合材料SiC/PP复合材料的弯曲强度、弯曲模量、弹性模量和冲击强度随ΦSiC的增加呈现先增加后降低的趋势,而拉伸强度随ΦSiC增加呈下降趋势。当ΦSiC在30%～40%时,改性微-纳米SiC/PP复合材料的弯曲强度、弯曲模量和弹性模量分别比纯PP基体提高40%、141%、142%,比改性微米SiC/PP复合材料分别提高5%、5%、15%。ΦSiC为10%时,改性微-纳米SiC/PP复合材料的冲击强度比纯PP基体提高9%,比改性微米SiC/PP提高15%。（2）改性微-纳米SiC/PP复合材料的热变形温度随着ΦSiC增加而提高。当ΦSiC为40%时,改性微-纳米SiC/PP的热变形温度比纯PP基体提高22%,比改性微米SiC/PP提高4%。通过DSC的分析结果发现,改性微-纳米SiC粒子对PP的结晶成核有促进作用,提高了PP的结晶温度和结晶速率,而且改性微-纳米SiC/PP的结晶温度比改性微米SiC/PP提高4℃。（3）改性微-纳米SiC/PP复合材料的表面电阻率和体积电阻率随着ΦSiC增加而降低。当ΦSiC为40%时,改性微-纳米SiC/PP复合材料的表面电阻率由纯PP基体的2.5×1015Ω降低到2.0×1012Ω,体积电阻率由纯PP基体的7.4×1015Ω·m降低到4.5×1012Ω·m,具有一定的抗静电作用。（4）SiC/PP复合材料的冲击断口和拉伸断口形貌分析表明,经表面改性处理微-纳米SiC粒子在PP基体中分散均匀且与PP界面结合良好,具有明显的增韧增强效果。（5）通过以上结果分析表明,经硅烷/钛酸酯表面改性处理微-纳米SiC/PP复合材料的综合性能在ΦSiC为30%～40%时性能优越,在提高PP材料力学性能和热学性能的同时,赋予PP材料抗静电的功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 聚合物及其复合材料
• 1.2 聚丙烯（PP）基复合材料的研究进展
• 1.2.1 化学改性
• 1.2.2 物理改性
• 1.3 微-纳米无机刚性粒子/PP复合材料的研究进展
• 1.3.1 微米级无机刚性粒子/PP复合材料
• 1.3.1.1 非功能性改性体系
• 1.3.1.2 功能性改性体系
• 1.3.2 纳米级无机刚性粒子/PP复合材料
• 1.3.2.1 非功能性改性体系
• 1.3.2.2 功能性改性体系
• 1.3.3 微-纳米组合无机刚性粒子/PP复合材料
• 1.4 无机刚性粒子/PP复合材料的制备方法
• 1.4.1 原位聚合法
• 1.4.2 溶胶-凝胶法
• 1.4.3 插层复合法
• 1.4.4 共混法
• 1.5 本课题的提出
• 1.5.1 研究思路与方法
• 1.5.2 研究内容及目标
• 1.5.3 创新点及拟解决的关键技术
• 第2章 SiC/PP样品的制备与性能检测标准
• 2.1 实验原料与仪器设备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器与设备
• 2.2 技术路线
• 2.3 实验设计方案
• 2.4 实验方法
• 2.4.1 SiC的表面改性处理
• 2.4.1.1 SiC的表面改性处理工艺
• 2.4.1.2 SiC粒子改性效果的评价
• 2.4.1.3 表面处理剂的用量、种类及SiC的粒度对改性效果的影响
• 2.4.2 SiC/PP母料的制备
• 2.4.2.1 多步挤出工艺
• 2.4.2.2 挤出工艺参数的设定
• 2.4.3 SiC/PP复合材料样品的制备
• 2.5 性能测试
• 2.5.1 力学性能测试
• 2.5.2 热学性能测试
• 2.5.3 电阻率测试
• 2.5.4 冲击断口和拉伸断口形貌观察
• 第3章 SiC/PP复合材料的力学性能分析
• 3.1 拉伸性能
• 3.1.1 偶联剂的用量对SiC/PP复合材料拉伸性能的影响
• 3.1.2 偶联剂的种类对SiC/PP复合材料拉伸性能的影响
• 3.1.3 SiC粒子的种类对SiC/PP复合材料拉伸性能的影响
• 3.1.4 应力-应变曲线分析
• 3.2 弯曲性能
• 3.2.1 偶联剂的用量对SiC/PP复合材料弯曲性能的影响
• 3.2.2 偶联剂的种类对SiC/PP复合材料弯曲性能的影响
• 3.2.3 SiC粒子的种类对SiC/PP复合材料弯曲性能的影响
• 3.3 冲击性能
• 3.3.1 偶联剂的用量对SiC/PP复合材料冲击性能的影响
• 3.3.2 偶联剂的种类对SiC/PP复合材料冲击性能的影响
• 3.3.3 SiC粒子的种类对SiC/PP复合材料冲击性能的影响
• 3.4 其他
• 3.5 本章小结
• 第4章 SiC/PP复合材料的热学性能分析
• 4.1 热变形温度
• 4.1.1 偶联剂的用量对SiC/PP复合材料热变形温度的影响
• 4.1.2 偶联剂的种类对SiC/PP复合材料热变形温度的影响
• 4.1.3 SiC粒子的种类对SiC/PP复合材料热变形温度的影响
• 4.2 TG-DSC分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 SiC/PP复合材料的电学性能分析
• 5.1 表面电阻率
• 5.2 体积电阻率
• 5.3 本章小结
• 第6章 SiC/PP复合材料的微观结构及增强增韧机理分析
• 6.1 SiC/PP复合材料的冲击断口分析
• 6.2 SiC/PP复合材料的拉伸断口分析
• 6.3 SiC/PP复合材料体系增强增韧机理分析
• 6.3.1 拉伸强度和弯曲强度
• 6.3.2 弹性模量和弯曲模量
• 6.3.3 冲击强度
• 6.4 本章小结
• 第7章 全文结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的主要业绩
• 致谢