剪切力场作用下聚丙烯/多壁碳纳米管复合材料的结晶、取向结构和性能研究

论文摘要

本文通过对多壁碳纳米管进行表面接枝改性，在多壁碳纳米管表面接枝上十八烷烃链，极大的改善了碳纳米管和聚丙烯间的界面作用力。采用动态保压成型技术（DPIM）和挤出拉伸加工方法，成功地实现了聚丙烯／改性多壁碳纳米管的形态控制。研究在加工过程中引入的剪切力场，对聚丙烯／碳纳米管复合体系中碳纳米管的分散、取向、以及碳纳米管与基体间的界面作用和结晶情况的变化。扫描电子显微镜、热失重分析、红外分析、动态流变测试、热台偏光显微镜、差示扫描量热仪、力学性能测试等用于表征体系的形态结构和性能。本论文的主要结论有：（1）通过动态保压往复的强剪切作用，制备了同时具有聚丙烯分子链和改性多壁碳纳米管高度取向结构的注射制品，两者均沿着剪切流动方向取向（也就是拉伸形变方向）。这在很大程度上提高了聚丙烯分子链和填充粒子的运动能力，从能量耗散机理来说，聚合物基体和填充颗粒运动能力的提高能够吸收更多的能量，有助于拉伸韧性的提高。另一方面，我们发现取向多壁碳纳米管具有很大的长径比，能够架桥连接基体聚合物拉伸过程中产生的裂缝，同时，改性碳纳米管与基体的界面粘接很强，足以保证应力的有效传递，从而使得聚合物基体材料沿着碳管滑移，导致材料的断裂伸长率得到大幅度的提高，从而引起复合材料韧性的极大提高。（2）采用动态流变测试原位检测剪切作用对PP／G-MWCNTs的结晶行为的影响。流变测试能够定量的评价静态条件和动态剪切条件下聚合物的整体结晶速率。结合流变测试结果和热台偏光显微镜观察的结晶形貌发展过程，对于PP／G—MWCNTs体系得到了两个不同的剪切影响机理：（1）在低温条件下，强烈的异相成核作用对结晶行为的影响占主导优势，而剪切作用对结晶的影响十分微弱，同时，在填料含量较高是，异相成核作用具有饱和性；（2）在高温条件下，异相成核作用被抑制，复合体系的结晶主要受到预剪切作用的影响，并且纤维状晶体较球晶更易生成。（3）采用挤出拉伸加工方法，通过控制拉伸比来控制剪切力施加的强弱，实现了对复合体系微观结构和碳纳米管的分散状况的控制，从而实现了对结晶结构和力学性能的控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1.绪论
• 1.1 碳纳米管的介绍
• 1.1.1 碳纳米管的结构
• 1.1.2 碳纳米管的表面修饰
• 1.1.3 改性碳纳米管在聚合物基体中的应用
• 1.1.4 碳纳米管对聚合物基体结晶行为的影响
• 1.2 纳米粒子在复合体系中流动性能对性能的影响
• 1.3 课题的提出及本文研究的内容
• 1.3.1 本论文研究课题的提出
• 1.3.2 本论文主要研究内容
• 1.3.3 本文的创新点
• 2.聚丙烯/改性多壁碳纳米管共混体系注射制品的高取向结构和性能研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 原料
• 2.1.2 多壁碳纳米管的表面接枝改性
• 2.1.3 样品的制备
• 2.1.4 测试与表征
• 2.1.4.1 热失重分析（TGA）
• 2.1.4.2 红外分析
• 2.1.4.3 力学性能测试
• 2.1.4.4 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.1.4.5 二维广角X射线衍射（2D—WAXD）
• 2.1.4.6 二维小角X射线衍射（2D—SAXD）
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 多壁碳纳米管的改性
• 2.2.2 注射制品的力学性能
• 2.2.3 在注射样品中基体的取向结构
• 2.2.4 多壁碳纳米管在聚丙烯基体中的分散
• 2.2.5 增韧机理研究
• 2.3 小结
• 3.剪切作用对聚丙烯/改性多壁碳纳米管复合体系结晶的影响
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 原料
• 3.1.2 多壁碳纳米管的表面接枝改性
• 3.1.3 样品制备过程
• 3.2.4 测试与表征
• 3.2.4.1 热台偏光显微镜（PLM）
• 3.2.4.2 动态流变测试
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 剪切对PP/G-MWCNTs的结晶影响
• 3.2.2 晶体生长的形貌观测
• 3.2.3 结晶机理讨论
• 3.3 小结
• 4.通过挤出拉伸对聚丙烯和改性碳纳米管的取向结构进行控制
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 原料
• 4.1.2 多壁碳纳米管的表面接枝改性
• 4.1.3 样品制备过程
• 4.1.4 测试与表征
• 4.1.4.1 力学性能测试
• 4.1.4.2 二维广角X射线衍射（2D—WAXD）
• 4.1.4.3 差示扫描量热仪（DSC）
• 4.1.4.4 热台偏光显微镜（PLM）
• 4.1.4.5 扫描电子显微镜（SEM）
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 力学性能
• 4.2.2 复合材料的取向结构
• 4.2.3 碳纳米管在基体中的分散
• 4.2.4 DSC结果分析
• 4.2.5 聚丙烯的二次结晶形貌观察
• 4.3 小结
• 4.总结论
• 参考文献
• 论文发表情况
• 致谢