论文部分内容阅读
本文立足于表面高度疏水的有机可溶Ag纳米晶的可控与规模化合成及聚丙烯(PP)基含Ag纳米复合材料的结构设计与制备;基于合成的有机可溶Ag纳米晶,通过简单的熔融共混和熔融插层组装法分别构筑了综合性能优良的PP/Ag和新型的PP/MMT/Ag功能纳米复合材料,并对复合材料的微观结构、性能及新特性进行了系统的研究和表征,深入探讨了复合材料的界面作用机制及其结构与性能之间的关系。利用油酸与烷基胺反应生成可溶于水的油酸-胺络合物为包覆剂,在均一的水相体系中实现了具有高度疏水表面性质的有机可溶Ag纳米晶的可控及规模化合成。通过简单地改变前躯体AgNO3的浓度可调控Ag纳米晶的粒径及其分布,AgNO3浓度越大,Ag纳米晶的粒径越小,分布越均匀,其平均粒径范围可控制在5.4-22.1nm之间;通过提高前躯体AgNO3的浓度至0.4M,在400ml水中,规模化合成了16.2g粒径小且高度均一(5士1.4nm)的有机可溶Ag纳米晶。该合成方法操作简单、环保、成本低,可适用于工业规模的合成。结构研究表明,Ag纳米晶的表面包覆着单层的油酸-胺络合物,油酸-胺络合物的含量高达20%,并且Ag纳米晶表面与油酸-胺络合物间存在化学键合作用。提出了基于“双层表面活性剂包覆结构控制反应”的形成机理,成功描述了在水相体系中可控合成有机可溶Ag纳米晶的过程;双层表面活性剂包覆结构的形成是实现Ag纳米晶粒径及其分布可控制备的关键。基于合成的有机可容Ag纳米晶,通过简单的熔融共混构筑了综合性能优良的功能性PP/Ag纳米复合材料,并对其结构和性能进行了系统的研究。研究结果表明,有机可溶Ag纳米晶表面高含量的表面活性剂增加了纳米晶粒子与PP间的界面相容性和粘合性,有效地阻止了Ag纳米晶粒子团聚,使Ag纳米晶均匀分散在PP基体中。有机可溶Ag纳米晶与PP基体间存在较强的相互作用,Ag纳米晶的加入能显著提高PP的热分解温度,改善其热稳定性;当Ag含量为2.0%时,热分解起始温度提高了约80℃。有机可溶Ag纳米晶具有B成核与刚性增强的双重效应,能同时提高PP的断裂伸长率、冲击强度和储能模量(刚度),是实现PP增强增韧改性的有效途径;当Ag含量为1.0%时,复合材料的断裂伸长率和冲击强度分别是纯PP的9倍和2.7倍。此外,PP/Ag纳米复合材料具有优秀的抗菌功能,当作为塑料使用时,加入0.1%的Ag纳米晶就可获得最好的抗菌效果;当作为纤维使用时,仅需加入100ppm的Ag纳米晶就可获得较好的抗菌效果。系统研究了非等温及等温条件下PP/Ag纳米复合材料的结晶和熔融行为。结果表明,有机可溶Ag纳米晶对PP具有高效的B成核效应,能诱导产生大量的B晶体,B晶的相对含量高度依赖Ag纳米晶的含量和冷却速率。β晶的相对含量随着Ag含量的增加而增加,尤其是在非等温条件下B晶的相对含量与Ag含量呈线性关系;在非等温结晶过程中,提高冷却速率有利于β晶的生成,B晶的相对含量随冷却速率增大而增加。在等温过程中,结晶温度对β晶的相对含量没有明显的影响,但较低的结晶温度有利于次B晶生成。由于有机可溶Ag纳米晶与PP基体相容性好,分散均匀,其B成核能力远大于无任何表面修饰的市售Ag纳米颗粒。结晶动力学研究表明,有机可溶Ag纳米晶的加入充当了异相成核剂,使晶核生长点增多,PP分子链更易结晶,结晶速率提高,并使结晶活化能显著降低,有利于B晶的生成。首次提出了熔融插层组装的概念和机理,并基于合成的有机可溶Ag纳米晶,通过熔融插层组装法构筑了新型的PP/MMT/Ag功能纳米复合材料。研究表明,粒径较小(小于MMT的d1001)的Ag纳米晶粒子在机械剪切力作用下插入MMT片层间,使其层间距增大,有助于PP分子链或粒径较大的Ag纳米晶粒子进一步插层,使MMT在PP基体中的分散程度提高,形成了插层型和剥离型共存的结构;Ag纳米晶集中分布在MMT的区域,并吸附在MMT片层表面组装形成了特殊的MMT-Ag复合结构,分散在PP基体中。在这种特殊的MMT-Ag组装结构中,Ag纳米晶吸附在MMT片层表面充当桥连作用,在MMT与PP基体之间形成良好的界面过渡层,增加了MMT片层与PP分子链间的相互作用,对复合材料的热稳定性、流变行为和力学性能产生了显著的影响。MMT和Ag纳米晶的协同作用不仅使PP的热分解温度急剧提高了130℃,其热分解起始温度高达460℃,并且同时改善了材料的强度和韧性。此外,PP/MMT/Ag纳米复合材料具有优秀的抗菌功能,仅需少量的Ag纳米晶(0.1%)就可获得很好的抗菌效果。基于上述这些研究工作的开展,提供了可控与规模化合成有机可溶Ag纳米晶的新方法,为其应用奠定了基础;同时基于有机可溶Ag纳米晶成功构筑了新型的PP基含Ag纳米复合材料,开拓了制备综合性能优良的PP基功能复合材料的新途径,必将进一步拓宽PP材料的应用领域。