聚酰胺/黏土纳米复合材料的研究

论文摘要

聚酰胺/黏土纳米复合材料（PACN）是最早为人们所认知的聚合物/黏土纳米复合材料,无论是在学术研究还是在产业化开发应用都已经取得了很大的进展,但仍然有很多理论和应用上的问题需要解决。本论文采用熔体共混法制备了聚酰胺/有机蒙脱石纳米复合材料,研究了它们的环境稳定性（光热氧化和燃烧性能）、与聚烯烃的共混、蒙脱石在基体中的分散分布以及树脂结晶行为。这些研究结果对于聚酰胺/蒙脱石纳米复合材料理论上的进一步深度研究以及广泛的应用开发有着重要的指导意义。1.聚酰胺6/蒙脱石（PA6/OMMT）纳米复合材料的光氧化。考察了PA6/黏土纳米复合材料与纯PA6薄膜样品在紫外光照下的老化行为,发现PA6/黏土纳米复合材料的紫外光氧化速率要快于纯PA6。这可能是由于蒙脱石自身或蒙脱石有机处理使用的烷基季铵盐引起的,也有可能是材料纳米结构本身的原因。2.聚丙烯/聚酰胺6/有机黏土三组分熔融共混体系的界面相互作用。设计了一种界面共混实验以有机黏土存在下聚丙烯（PP）和聚酰胺6（PA6）的熔融共混。研究发现在PP、PA6、有机黏土三者之间存在着较强的相互作用,共混过程中黏土在界面区域富集,使PP和PA6的分子链在界面区域形成相互交织的结构,促进聚合物分子的界面扩散,同时起到界面相容剂的作用,导致PA6分散相的尺寸减小,在PP连续相基体中的分散得到改善。3.有机蒙脱石在聚酰胺66/黏土纳米复合材料的分散与分布状态。研究发现有机蒙脱石OMMT片层可以在PA66基体中剥离,但剥离后的纳米黏土片层并不是完全无规分布在聚酰胺66基体中。在注射样条表面附近区域,蒙脱石片层沿着熔体流动方向发生取向,取向层的厚度在1.5～2 mm之间。而在样条的本体区域,蒙脱石片层则围绕熔体流动方向旋转,在垂直于熔体流动方向表现为无规分布状态,但片层表面则平行于熔体流动方向。4.聚酰胺66/黏土纳米复合材料中聚酰胺66的结晶动力学。采用熔融插层法制备了不同有机蒙脱石含量的PA66/OMMT纳米复合材料并研究了其等温和非等温结晶行为。结果表明,蒙脱石起到结晶成核剂的作用,它的引入提高了PA66的结晶速率,但也提高了PA66的结晶活化能;发现该纳米复合材料在228℃～234℃范围内结晶对温度不敏感;对非等温结晶过程分析,Ozawa方程不太适用,而应用刘结平—莫志深方程可以得到良好的结果。5.聚酰胺66/黏土纳米复合材料的热稳定性和燃烧性能。考察了PA66/黏土纳米复合材料和微观复合材料的热稳定性和阻燃性能。PA66/黏土复合材料的初始热分解温度有所降低,但热氧稳定性提高,热失重速率减小,这得益于黏土片层和材料表面形成炭层的阻隔作用。在燃烧实验中,PA66/黏土纳米复合材料的热释放速率显著的降低。使用SEM和ATR-IR技术表征分析了材料燃烧前表面形成的炭层,发现是一个连续致密的含硅类陶瓷表面,对热量和分解产物具有良好的阻碍作用。6.所开发的技术在辽阳石化成功进行了工业化试验,建立了粘土改性和聚酰胺66/粘土纳米复合材料的千吨级规模示范线,制备了性能优异的改性聚酰胺树脂,并在家电、机械、汽车、采矿、石油输送和国家兵器等领域进行了推广应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料
• 1.1.1 层状硅酸盐的结构
• 1.1.2 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的类型
• 1.1.3 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的表征技术
• 1.1.4 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的制备方法
• 1.1.4.1 单体原位插层聚合法（in-situ intercalation polymerization）
• 1.1.4.2 聚合物溶液插层法（intercalation of polymer from solution）
• 1.1.4.3 聚合物熔融插层法（polymer melt intercalation）
• 1.1.5 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的性能
• 1.1.5.1 力学性能
• 1.1.5.2 热变形温度（HDT）
• 1.1.5.3 热稳定性和阻燃性能
• 1.1.5.4 气液阻隔性能
• 1.1.5.5 聚合物-层状硅酸盐纳米复合材料与其它聚合物材料的作用
• 1.2 聚合物材料的环境稳定性
• 1.2.1 聚合物材料的紫外光氧化
• 1.2.2 聚合物材料的热降解
• 1.2.2.1 聚合物材料的热降解
• 1.2.2.2 聚合物材料的热氧降解
• 1.2.2.3 聚合物/黏土纳米复合材料的热降解
• 1.2.3 聚合物材料的燃烧
• 1.2.3.1 聚合物材料的燃烧与阻燃
• 1.2.3.2 聚合物材料阻燃的测试
• 1.2.3.3 阻燃聚合物材料的进展
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 聚酰胺6/黏土纳米复合材料的紫外光氧化
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料
• 2.2.2 试样制备
• 2.2.3 聚酰胺6/黏土纳米复合材料的结构表征
• 2.2.4 紫外光氧化实验
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 聚酰胺6/黏土纳米复合材料的结构
• 2.3.2 聚酰胺6/黏土纳米复合材料的紫外光氧化
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 聚丙烯/聚酰胺6/有机黏土三组分熔融共混体系的界面相互作用
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 密炼机熔融共混
• 3.2.3 界面共混实验
• 3.2.4 表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 熔融共混过程
• 3.3.2 界面共混中的流变性质
• 3.3.3 界面共混样品的界面分析
• 3.4 讨论
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 有机蒙脱石在聚酰胺66/黏土纳米复合材料的分散与分布状态
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料
• 4.2.2 熔融复合
• 4.2.3 分析与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 有机蒙脱石OMMT的表征
• 4.3.2 有机蒙脱石的分散状态和空间分布
• 4.3.3 有机蒙脱石对聚酰胺66结晶的影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 聚酰胺66/黏土纳米复合材料中聚酰胺66的结晶动力学
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 原料
• 5.2.2 复合材料的制备
• 5.2.3 差示扫描量热（DSC）分析
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 等温结晶过程
• 5.3.2 非等温结晶过程
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 聚酰胺66/黏土纳米复合材料的热稳定性和燃烧性能
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 原料
• 6.2.2 PA66/黏土复合材料的制备
• 6.2.3 PA66/黏土复合材料的结构表征
• 6.2.4 TGA测试
• 6.2.5 燃烧实验
• 6.2.6 炭层的表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 PA66/黏土复合材料的结构分析
• 6.3.2 热稳定性分析
• 6.3.3 燃烧实验分析
• 6.3.4 炭层分析结果
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 聚酰胺66/粘土纳米复合材料的工业化试验
• 7.1 引言
• 7.2 千吨级工业示范线的建设
• 7.3 聚酰胺66/粘土纳米复合材料的性能指标
• 7.4 聚酰胺66/粘土纳米复合材料的应用
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论
• 攻读博士学位期间发表的学术论文目录
• 致谢