论文部分内容阅读
近年来无机纳米粒子在填充改性聚丙烯领域有广泛的应用，但由于纳米粒子比表面积大、表面能高，使纳米粒子间极易团聚，而且亲水型的纳米粒子与疏水型的聚合物相容性差，这会导致纳米粒子与基体树脂的界面作用力变差，很难有效提高复合材料的综合性能。通常采用化学偶联或者接枝改性的方法来处理纳米粒子，以降低纳米粒子的表面能，使其较好地分散在基体树脂中，但纳米粒子与基体的相容性仍未得到实质性改善，而反应性增容技术是改善高分子复合材料的相容性、增强相界面粘接力的有效途径之一。为此本论文创新性的将反应性增容技术应用在纳米复合材料的研究中，通过在纳米粒子表面接枝引入含有反应性基团的聚合物，使其与反应性增容剂发生化学反应，由此改善粒子与基体的相容性，增强界面的作用力，按常规共混工艺制备出在甚低含量下具有显著增强增韧效应的纳米SiO2/PP反应性增容复合材料。
本论文的具体研究内容为分别用熔融接枝和辐照接枝改性方法使纳米粒子与含双官能团的反应性单体(GMA)发生接枝反应(熔融接枝记为M-SiO2、辐照接枝记为R-SiO2)，并采用熔融改性的方法制备反应性增容剂(PP-NH2、POE-NH2)，随后，使接枝改性的纳米粒子与反应性增容剂在熔融共混的过程中发生反应而制备纳米SiO2/PP复合材料。用FTIR和TG对反应性增容进行了表征，系统研究了反应性增容制备复合材料的力学性能，同时采用Haake转矩流变仪、高级旋转流变仪、DSC、DMA、SEM分别表征了复合材料的流变特性、结晶行为、动态力学性能和冲击断面，从加工一结构—性能的角度对反应性增容纳米复合材料进行研究。
通过反应性增容制备纳米SiO2/PP复合材料的研究，本论文得到的主要研究结果如下：
(1)采用偶联改性的方法用硅烷偶联剂KH570处理纳米粒子，在粒子表面引入可参与聚合反应的双键。再分别利用熔融接枝和辐照接枝改性的方法，成功地将PGMA均聚物和P(GMA-co-BA)共聚物化学接枝在纳米二氧化硅的表面，利用TG测量得到熔融接枝的接枝率在20％左右。采用熔融改性的方法对PP-g-MAH和POE-g-MAH进行胺化，FTIR和TG的分析证实，在熔融共混过程中，纳米二氧化硅接枝PGMA的环氧基与反应性增容剂的胺基之间可以发生化学反应，从而实现纳米粒子和聚合物间的反应性增容。
(2)力学性能测试表明，纳米SiO2/PP反应性增容复合材料的综合力学性能比纯PP有较大的提高。当PP-NH2含量为15wt％时，熔融接枝M-SiO2/PP/PP-NH2反应性增容复合材料的综合力学性能比纯PP有较大幅度提高。与纯PP和SiO2/PP复合材料相比，辐照接枝R-SiO2/PP/PP-NH2反应性增容复合材料的机械性能也得到改善，但其综合力学性能较M-SiO2/PP/PP-NH2反应性增容复合材料差。当POE-NH2含量为10wt％时，熔融接枝M-SiO2/PP/POE-NH2反应性增容复合材料缺口冲击强度比纯即提高约2.5倍，而其它强度和模量都能保持与纯PP相近的性能，使M-SiO2/PP/POE-NH2反应性增容复合材料具备均衡的综合力学性能。辐照接枝R-SiO2/PP/POE-NH2反应性增容复合材料的冲击性能比纯PP提高2倍，但其综合力学性能不如M-SiO2/PP/POE-NH2反应性增容复合材料好。从反应性增容剂(PP-NH2、POE-NH2)所制备的复合材料力学性能比对可以看出，POE-NH2是更加有效的反应性增容剂。
(3)冲击断面的SEM形态观察可以看到纳米SiO2/PP反应性增容复合材料的团聚体尺寸减小，并且均匀地分散在PP基体中，界面结合状态明显改善，基体树脂发生塑性形变，沿裂纹扩展方向树脂塑性伸展形成大量的微纤，材料呈现韧性断裂的特征。经刻蚀复合材料中增容剂组分的SEM照片可以说明，SiO2/PP/POE-g-MAH复合材料中纳米SiO2和POE-g-MAH各自独立分散在基体中，而M-SiO2/PP/POE-NH2反应性增容体系的纳米粒子则均匀分布在POE-NH2中。辐照接枝R-SiO2/PP/POE-NH2反应性增容复合材料冲击断口的形貌图可以看到复合材料发生均匀的塑性形变，但经辐照接枝的纳米粒子在基体中却以较大的团聚体存在，纳米粒子的分散并没有明显改善。
(4)DSC分析表明，纳米SiO2/PP反应性增容复合材料能提高PP的结晶温度、结晶速率、结晶能力和熔点，减小微晶尺寸分布，使结晶更为规整，但降低了PP的结晶度。
(5)流变性能分析表明，纳米SiO2/PP反应性增容复合材料由于粒子与基体的界面相互作用加强，提高了体系的粘度，复合材料中纳米粒子与基体的相容性有所改善。
(6)DMA分析表明，纳米M-SiO2/PP/PP-NH2反应性增容复合材料的损耗模量、储能模量和Tg低于纯PP：但在纳米M-SiO2/PP/POE-NH2反应性增容复合材料中，SiO2-g-P(GMA-co-BA)/PP/POE-NH2复合材料储能模量和损耗模量却高于纯PP，而PGMA体系则低于纯PP，M-SiO2/PP/POE-NH2反应性增容复合材料的Tg比纯PP低。