论文摘要
利用压力诱导流动（PIF）成型方法制备了具有贝壳状片层结构的尼龙6（PA6）基和聚丙烯（PP）基蒙脱土（MMT）纳米复合材料。所得样品的冲击强度增加到PIF成型前样品的10余倍,同时拉伸强度与断裂伸长率也显著提高。利用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、差示扫描量热仪（DSC）、X射线衍射（XRD）、动态力学分析（DMA）等手段对材料的微观形态和分子松弛机理进行了详细研究和表征,从结构-性能关系角度全面深入地揭示了PIF成型制备仿贝壳微观片层结构的高韧性材料的内在机制。从微观片层结构的角度出发,用贝壳增韧机理解释了PIF成型材料具有优异力学性能的原因。主要结果如下;（1）证实在PA6和PP两个基体极性差异很大的MMT纳米复合体系中,PIF成型方法都能显著提高其冲击、拉伸性能。这种韧性和强度的同时大幅提高很难通过常规的物理、化学方法实现。拉伸应力-应变曲线上的二次屈服显示新的形态或微观结构形成,而这种新形成的结构或形态可以通过控制加工时的压力和温度条件加以控制。MMT的存在一定程度上削弱了PIF成型方法对聚合物基体的增韧效果,但对体系断裂伸长率的改善效果十分明显。（2）宏观力学性能的提高与微观形态结构的改变直接关联。材料经过PIF成型后具有类似于砖泥堆砌的规整排列的片层结构,与具有高韧性的贝壳内部结构极其相似。这种由于球晶变形、取向而导致的“层层交叠”、“层层包含”的独特片层结构是材料具有优异力学性能的根源。成型加工的温度、压力条件及MMT含量均对片层的厚度及层间的界面结合力产生重要影响。总的来说,成型温度较高、压力较大、MMT含量较少时,容易形成较薄的片层,且层间的界面越模糊,显示层间的结合力增强,因而越有利于冲击和拉伸性能的提高。通过成型加工条件来调控材料在PIF成型后的力学性能,实际上正是通过调控内部片层的结构参数而实现的。MMT在PIF成型样品中的规整、平行排列可以很好地指示基体微观形态的改变。（3）不同方向XRD测试的结果进一步证实了片晶结构的旋转和取向对形成片层结构的贡献。低MMT含量PA6体系中片层结构的形成是由于片晶先破裂为碎片后再发生相对滑移或旋转,导致大量片晶沿着压力加载方向的取向。高MMT含量的体系中则在PIF成型条件下发生了γ晶向α晶的晶型转变,结果导致与低MMT含量体系相比,其拉伸和冲击强度的提高幅度较低而断裂伸长率的变化十分显著。PP/MMT复合体系中同样出现显著的晶体破裂和取向行为,但不存在晶型转变。（4）PIF成型对PP/MMT和PA6/MMT体系熔融行为的不同影响可归结为基体分子间力的差异及晶型转变。对于PA6/MMT体系,未经过PIF成型样品的结晶度随着MMT含量的升高而降低,PIF成型提高材料的熔融起始温度但对熔点和结晶度影响不大。对于PP/MMT体系,未经过PIF成型样品的熔点随MMT含量的升高而越低,结晶度反而提高;PIF成型之后熔融起始温度没有明显提高,结晶度却有较大增加。相对于片晶滑移和旋转引起的片层结构,结晶度提高对力学性能改善的程度相当有限。熔融和结晶特性的改变还与加工成型温度有关。（5）动态力学分析给出体系内部结构的丰富信息。就PA6/MMT体系而言,未经PIF加工的样品只在63℃附近有一个α转变峰,对应于无定形区的玻璃化转变松弛,继续升高温度至185℃附近时样品的晶区开始熔融;在160℃,650MPa条件下PIF成型的相同组分样品,除了α峰对应的转变以外,在样品熔融前（170℃附近）还出现了一个新的松弛峰。这个高温峰源自于一部分运动强烈受限的非晶相分子的松弛。PIF成型不仅导致转移到比Tg更高温度下发生的刚性无定形区的松弛,也同时抑制了普通无定形区的链段松弛。就成型加工条件对结构的影响而言,压力主要影响晶区取向,而温度则有利于基体分子松弛,因此升高成型温度与增加成型压力有利于更大程度地同时提高材料的冲击与拉伸性能。（6）借用贝壳的“砖”“泥”结构模型和“能量耗散路径”等机理,可以很好地解释PIF成型材料具有优异力学性能的原因。
论文目录
相关论文文献
标签：压力诱导流动成型论文; 贝壳状微观片层结构论文; 晶区取向论文; 动态力学分析论文; 聚合物论文; 蒙脱土纳米复合材料论文;