功能性层状双氢氧化物/聚合物纳米复合材料的制备及性能研究

论文摘要

本论文主要研究聚合物基功能性纳米复合材料的结构与性能关系,以功能性层状双氢氧化物（LDHs）为无机组分,通过熔融共混法、可控取向堆积法及原位生长法分别制备剥离型LDHs/聚合物纳米复合材料、具有高取向结构的LDHs/聚合物复合薄膜及具有三维复杂结构的LDHs取向薄膜,研究纳米粒子的功能性、分散形态及取向结构对纳米复合材料各项性能的影响。LDHs为阴离子型层状粘土,具有形貌可控、结构可调、易分散等优异性能,可作为功能性纳米填料制备LDHs/聚合物纳米复合材料。随着科学进步和世界经济的发展,各使用领域对材料的性能提出了更高要求,而具有光、电、磁效应以及自阻燃等特性的功能性纳米复合材料将成为未来军工、航空航天、汽车、电力电子等行业的首选材料。制备聚合物基功能性纳米复合材料的方法有多种,可分别从聚合物基体、纳米粒子及分散形态三个方面调控纳米复合材料的功能性。最直接的方法是利用功能性聚合物为基体,制备具有温敏、光敏、导电等性能的纳米复合材料；由于功能性聚合物种类少,使用领域较窄,因而以功能性聚合物为基体的纳米复合材料研究和应用均较少。而将具有功能性（如具有光、电、磁、热响应以及导电导热等性能）的无机纳米粒子均匀分散于聚合物基体中,赋予普通聚合物基纳米复合材料功能性,则将大幅提高通用聚合物材料的性能,提升其应用潜力,具有较高的研究和应用价值。另一种方式是通过调控成型加工条件或无机纳米粒子在聚合物基体中的分散形态,构建具有特殊结构的纳米复合材料（如静电纺丝纳米纤维、取向薄膜、微-纳米复合结构材料等）,从而赋予纳米复合材料功能性（如超疏水、超阻隔、选择性吸附等性能）。本论文的研究分三部分进行。首先通过尿素水解法制备尺寸为微米级的LDHs,将其作为铜离子的“绿色”载体,制备具有阻燃、抑烟性能的MgCuAl-LDH微米粒子,并表征其结构与形貌。将制备的功能性MgCuAl-LDH与聚氯乙烯（PVC）熔融共混,制备LDHs/PVC纳米复合材料,考察功能性MgCuAl-LDH对PVC热稳定性、热分解行为以及燃烧发烟性能的影响。MgCuAl-LDH不仅能发挥铜离子显著的抑烟效果,还能保留LDHs的离子交换性能及对PVC的热稳定效应。对MgCuAl-LDH离子交换改性,并将改性LDHs分散于PVC基体中,考察LDHs纳米片层在PVC基体中的分散形态,发现十二烷基磺酸根（DS-）插层的MgCuAl-LDH能在基体中剥离,形成剥离型LDH/PVC纳米复合材料,并考察LDHs分散形态对纳米复合材料性能的影响。第二部分为具有高取向结构LDHs/聚合物复合薄膜的制备,以及复合薄膜结构、形貌、性能及溶液中LDHs纳米片层与阴离子共组装行为的研究。以不同尺寸大小的CoAl-LDH （6μm）和NiAl-LDH （500 nm）为模型,利用NO3-LDHs在甲酰胺体系中的全剥离,首先制备了单片层分散的CoAl-和NiAl-LDH/甲酰胺溶胶,AFM结果显示LDHs单片层厚度约为0.8 nm；通过真空抽滤法快速制备了具有高取向结构的CoAl-和NiAl-LDH薄膜,发现能将其转印至多种基体表面：考察了LDHs薄膜的结构与形貌,提出了不同尺寸大小的LDH纳米片层在堆积成膜时不同的堆积机理；在LDHs/甲酰胺体系中加入阴离子与聚合物,考察LDHs片层与阴离子在甲酰胺中的共组装行为,并得到了能在水中稳定分散的、表面呈电负性的LDHs/阴离子聚丙烯酰胺杂化粒子；通过调控LDHs/甲酰胺体系中阴离子的种类及数量,还能获得性能优异的功能性LDHs薄膜。第三部分为原位生长法制备LDHs取向薄膜的结构与性能研究。利用水热法分别在云母片及表面亲水处理的Si02电纺纤维膜表面原位生长LDHs,结果发现原位生长的LDHs晶体均垂直于基体表面取向排列；通过改变水热反应体系中的离子浓度,可调控LDHs取向薄膜的疏密度及LDHs晶体尺寸大小；在微米级电纺纤维表面原位生长取向LDHs,构筑具有三维复杂结构的功能性薄膜,具有广阔的应用前景。本论文的相关研究,为功能性LDHs/聚合物纳米复合材料的设计提供了理论基础,将有益于设计出具有更优异性能的聚合物基功能性纳米复合材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 简介
• 1.2 LDHs的结构与性能
• 1.3 LDHs的制备
• 1.3.1 共沉淀法
• 1.3.2 成核/晶化隔离法
• 1.3.3 溶胶-凝胶法
• 1.3.4 尿素水解法
• 1.4 LDHs的改性与剥离
• 1.5 LDHs的应用
• 1.5.1 聚合物阻燃剂
• 1.5.2 功能性薄膜
• 1.6 本论文研究目的及主要研究内容
• 1.6.1 研究目的及意义
• 1.6.2 研究内容
• 参考文献
• 第二章 含铜LDH/PVC纳米复合材料的制备及热性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验药品
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 实验步骤
• 2.2.4 表征方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 LDHs的结构与形貌
• 3-LDHs对复合材料热稳定性的影响'>2.3.2 CO₃-LDHs对复合材料热稳定性的影响
• 2.3.3 MgCuAl-LDH的离子交换性能
• 2.3.4 LDHs离子交换产物对复合材料热性能的影响
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 抽滤法制备LDH取向薄膜及其结构与性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验药品
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 实验步骤
• 3.2.4 表征方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 LDHs的剥离
• 3.3.2 取向LDH薄膜的制备及表征
• 3.3.3 LDH与阴离子在甲酰胺中的共组装研究
• 3.3.4 水溶性APAM/CoAl-LDH纳米杂化片层的制备及表征
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 原位生长法制备LDH取向薄膜的结构与性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验药品
• 4.2.2 实验过程
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 云母片表面MgAl-LDH的可控原位生长
• 2纤维膜表面MgAl-LDH的可控原位生长'>4.3.2 静电纺丝SiO₂纤维膜表面MgAl-LDH的可控原位生长
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 结论
• 论文创新点
• 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 致谢