尼龙66/SiO2纳米复合材料的界面结构与性能研究

论文摘要

本文采用熔融共混法通过双螺杆挤出机制备出不同表面改性纳米SiO2/尼龙66复合材料,并对其力学性能进行了测试和分析。试验结果显示可反应性纳米二氧化硅（RNS）的加入能够增加纳米复合材料的拉伸强度和弹性模量,但对材料缺口冲击强度的影响并不明显。而可分散性纳米二氧化硅（DNS）的加入则能在保持材料刚性的情况下提高纳米复合材料的缺口冲击韧性,但同时也会对材料的拉伸性能产生一定的负面影响。显然,不同表面改性纳米SiO2的加入对材料力学性能产生了不同的影响。为了深入分析纳米复合材料制备过程中不同表面改性纳米SiO2与尼龙66基体之间的相互作用,我们对制备成的纳米复合材料进行了抽提处理,并对抽提产物进行了热重（TGA）,红外（FTIR）,X射线光电子能谱（XPS）以及透射电子显微镜（TEM）表征。结果显示,RNS在熔融共混过程中与尼龙66发生了强烈的界面相互作用,形成一种基于共价键和氢键连接的界面层结构。这种界面层结构的形成显然有助于增加RNS/尼龙66的界面粘接强度,改善二者之间的应力传递,从而促进纳米复合材料拉伸强度的提高。而界面粘结强度的增加反过来限制了尼龙66链的运动,导致纳米颗粒周围尼龙66高密度区的形成,体系中大量尼龙66高密度区的出现增加了纳米复合材料的刚性。对材料韧性而言,尼龙66高密度区的形成不利于材料韧性的提高,但RNS表面柔性修饰层的存在却有助于材料韧性的改善,因此纳米复合材料最终韧性的体现取决于二者之间的相互竞争。DNS在熔融共混过程中与尼龙66的作用并不是很强烈,二者之间仅仅是通过少量氢键和链段缠绕发生相互作用,这种界面层结构显然不利于材料拉伸强度和弹性模量的改善,但由于DNS在尼龙66基体中良好的分散性以及表面柔性修饰层的存在,它的加入却有利于材料冲击韧性的提高。通过上述分析可以看出,RNS和DNS与尼龙66之间形成的不同界面层结构是其纳米复合材料力学性能发生变化的主要原因。此外,我们还考察了不同制备工艺对纳米复合材料力学性能的影响。采用二次熔融共混法能进一步提高纳米复合材料的拉伸强度和刚性,但却不利于材料缺口冲击韧性的改善;而采用母料法则导致纳米复合材料整体性能的普遍降低。上述结果表明纳米复合材料的力学性能还与制备工艺的选取密切相关。在本文中,不同表面改性纳米SiO2/尼龙66复合材料的熔融和结晶行为以及动态热机械性能也被研究。结果显示,RNS和DNS的加入降低了纳米复合材料的熔融和结晶温度,同时也减小了基体中尼龙66的晶粒尺寸。二者不同的是RNS是一种非常好的形核剂,它的加入能够加快尼龙66的结晶速率,减少半结晶时间,使体系结晶活化能明显降低,从而增加了纳米复合材料的结晶度。而DNS具有较弱的异相形核能力,它的加入能够减缓尼龙66的结晶速率,延长半结晶时间,使体系的结晶活化能较纯尼龙66有所增加,最终导致纳米复合材料结晶度的降低。在热动态机械性能的研究中,RNS的加入增加了纳米复合材料的储能模量,而DNS则使纳米复合材料的储能模量略有降低,但二者都能引起纳米复合材料力学损耗的增加。对玻璃化转变温度而言,由于二者表面结构的不同,DNS的加入降低了纳米复合材料的玻璃化转变温度,而RNS则使纳米复合材料的玻璃化转变温度升高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 聚合物基纳米复合材料
• 1.1.1 纳米材料的特性
• 1.1.2 聚合物基纳米复合材料的制备
• 1.1.3 无机纳米颗粒的表面处理技术
• 1.2 尼龙纳米复合材料
• 1.2.1 尼龙纳米复合材料的研究现状和应用情况
• 1.2.2 无机纳米微粒改性尼龙的机理
• 1.2.3 界面的影响
• 1.2.4 结晶行为的影响
• 1.3 选题依据和研究内容
• 1.3.1 选题依据和意义
• 1.3.2 研究内容
• 第2章 试验材料，设备及工艺
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验设备及方法
• 2.2.1 纳米复合材料制备所用设备
• 2.2.2 纳米复合材料性能测试和表征
• 2 的制备及形成机理'>2.3 表面改性纳米SiO₂的制备及形成机理
• 2.3.1 可分散性纳米二氧化硅的制备及形成机理
• 2.3.2 可分散性纳米二氧化硅的表征
• 2.3.3 小结
• 2.3.4 可反应性纳米二氧化硅的制备及形成机理
• 2.3.5 可反应性纳米二氧化硅的表征
• 2.3.6 小结
• 2 纳米复合材料的制备工艺及方法'>2.4 尼龙66/SiO₂纳米复合材料的制备工艺及方法
• 2.4.1 纳米复合材料的制备工艺流程
• 2 纳米复合材料具体制备方法'>2.4.2 尼龙66/SiO₂纳米复合材料具体制备方法
• 2.5 小结
• 2纳米复合材料的界面结构分析'>第3章 尼龙66/SiO₂纳米复合材料的界面结构分析
• 3.1 纳米复合材料的抽提处理
• 3.2 DNS 型纳米复合材料的界面结构分析及模型建立
• 3.2.1 热重分析
• 3.2.2 红外分析
• 3.2.3 XPS 分析
• 3.2.4 电镜分析
• 3.2.5 DNS 型纳米复合材料的界面结构模型
• 3.3 RNS 型纳米复合材料的界面结构分析及模型建立
• 3.3.1 热重分析
• 3.3.2 红外分析
• 3.3.3 XPS 分析
• 3.3.4 电镜分析
• 3.3.5 RNS 型纳米复合材料的界面结构模型
• 3.4 UMS 型纳米复合材料的界面结构分析及模型建立
• 3.4.1 热重分析
• 3.4.2 红外分析
• 3.4.3 电镜分析
• 3.4.4 UMS 型纳米复合材料的界面结构模型
• 3.5 小结
• 2纳米复合材料的力学性能'>第4章 尼龙66/SiO₂纳米复合材料的力学性能
• 2 纳米复合材料'>4.1 一次熔融共混法制备尼龙66/SiO₂纳米复合材料
• 4.1.1 DNS 型纳米复合材料的力学性能及断面形貌分析
• 4.1.2 RNS 型纳米复合材料的力学性能及断面形貌分析
• 4.1.3 UMS 型纳米复合材料的力学性能及断面形貌分析
• 2 纳米复合材料'>4.2 二次熔融共混法制备尼龙66/SiO₂纳米复合材料
• 4.2.1 SDNS 和SRNS 型纳米复合材料力学性能的对比
• 4.2.2 SDNS 和SRNS 型纳米复合材料的断面形貌分析
• 2 纳米复合材料'>4.3 母料法制备尼龙66/SiO₂纳米复合材料
• 4.3.1 MDNS 和MRNS 型纳米复合材料力学性能的对比
• 4.3.2 MDNS 和MRNS 型纳米复合材料的断面形貌分析
• 4.4 小结
• 2纳米复合材料的热性能'>第5章 尼龙66/SiO₂纳米复合材料的热性能
• 5.1 尼龙66 及其纳米复合材料的熔融结晶行为研究
• 2 对尼龙66 熔融和结晶过程的影响'>5.1.1 不同表面改性纳米SiO₂ 对尼龙66 熔融和结晶过程的影响
• 5.1.2 不同冷却速率对尼龙66 结晶过程的影响
• 5.2 POM 和XRD 分析
• 2 纳米复合材料的非等温结晶动力学'>5.3 尼龙66/SiO₂纳米复合材料的非等温结晶动力学
• 5.3.1 Jeziorny 法
• 5.3.2 Ozawa 法
• 5.3.3 Mo 法
• 5.3.4 结晶活化能
• 2 纳米复合材料的热动态机械分析'>5.4 尼龙66/SiO₂纳米复合材料的热动态机械分析
• 5.4.1 DNS 和RNS 型纳米复合材料的热稳定性
• 5.4.2 RNS 型纳米复合材料的热动态机械性能
• 5.4.3 DNS 型纳米复合材料的热动态机械性能
• 5.4.4 不同频率对纳米复合材料粘弹性的影响
• 5.4.5 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢