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纳米粒子的开发和应用，以及纳米粒子表面改性技术的进步，为聚丙烯的改性提供了一种新的方法和途径。纳米粒子作为一种新兴的填料，应用到聚丙烯填充体系中，将能克服常规填充粒子填充量过高、机械加工性能差等缺点。因此在聚丙烯改性中将具有广阔的前景。目前，应用最广泛也是最方便的纳米粒子填充聚合物的办法是熔融共混法，但必须解决纳米粒子在加工过程中易团聚和难分散的问题，这将是制备高性能的纳米粒子/聚丙烯复合材料的关键
为了解决纳米粒子的易团聚和难分散的问题，本课题组进行了大量的研究。运用化学接枝、高能辐射接枝和力化学接枝等不同的方法对纳米粒子进行表面改性，再利用熔融共混加工方法，制备纳米粒子/聚丙烯复合材料。从本课题组对纳米SiO2、CaCO3填充PP的实验结果看，只要纳米粒子填充量在2vol％左右就可以为PP带来增韧增强的效果。但是，所得的复合材料的性能还没达到人们所预期的纳米复合材料的高性能，纳米粒子在聚合物中的分散性还不算理想。这是因为常规的熔融共混，剪切力有限，在高粘度的聚丙烯基体熔体中，很难进一步将纳米粒子团聚体分散，从而导致纳米复合材料未达预期目的。
为了进一步促进纳米粒子的分散，在课题组前期研究的基础上，本工作首先对纳米SiO2进行辐照接枝改性处理，使之具备能与聚丙烯基体复合，牵伸分散的基本条件，并利用IR、TEM、GPC、TG、表面张力仪等多种手段对接枝改性粒子进行了相关的表征工作，分析辐射剂量、单体浓度、单体种类和溶剂种类等因素对接枝聚合的影响，探讨辐射接枝纳米SiO2辐射接枝聚合的机理。在熔融制备纳米粒子填充聚丙烯复合材料的过程中，采用熔融牵伸技术，制得具有纳米分散结构的复合微纤母料，并对所得微纤母料进行TEM、密度分析、DSC、XRD、声速取向和力学性能的分析表征，初步证明了熔融牵伸可以促进纳米粒子在聚丙烯中的分散，增强纳米粒子与聚丙烯之间的界面结合力。最后采用注射成型和层压成型的工艺将纳米微纤母料和聚丙烯基体进行复合制备纳米SiO2/PP复合材料，通过TEM、SEM、DSC、XRD和力学性能的表征对复合材料的形态结构和性能进行研究，证明，在注射成型和层压成型过程中，纳米SiO2粒子在复合材料微纤中的分散性和与基体界面结合力增强的优良性能得到保持。
本工作力争从加工工艺—结构—性能关系的角度对牵伸分散制备纳米复合材料进行研究，以期探索制备纳米无机粒子填充聚烯烃复合材料的新途径，对制备高性能的聚烯烃纳米复合材料提供理论依据。本论文主要研究结果如下：
(1)IR分析发现，改性纳米SiO2存在明显的羰基峰，证明接枝改性是有效的，PBA和纳米SiO2粒子之间是通过化学键连接的。TEM和表面张力分析表明，改性后纳米粒子的表面能下降，在有机溶剂中的分散性提高。TGA和称量法测均聚物和GPC分析表明，辐射接枝改性纳米SiO2的反应按照自由基、阴离子聚合的机理进行。随着辐射剂量的提高，接枝率和接枝效率都是呈现先上升然后下降的趋势，而单体转化率逐渐升高；溶剂的极性大小对辐射接枝聚合反应起到阻碍或促进的作用；单体的用量要适中，单体的种类的选择主要决定于其与纳米SiO2粒子的接枝物与基体的界面结合能力大小。经试验，辐射剂量为8Mrad，单体用量与纳米粒子用量相同，使用极性小或无极溶剂和以BA为接枝单体是制备分散性良好的改性纳米SiO2粒子的合适工艺条件。
(2)TEM观察发现，经熔融牵伸后，纳米SiO2粒子在复合材料中的分散性得到提高，纳米SiO2粒子团聚体的尺寸变小，而且随牵伸倍数增大，这种作用越明显，其中改性纳米SiO2粒子比未改性的纳米SiO2粒子在复合材料微纤分散效果好。密度分析表明，熔融牵伸作用有利于纳米SiO2/PP复合材料微纤结构的致密度提高。声速取向分析，熔融牵伸作用的确改变了PP大分子链的结构，纳米粒子的存在阻碍了声速的传播。DSC研究纳米SiO2/PP复合材料微纤的结晶熔融行为发现，纳米SiO2、牵伸作用和改性纳米SiO2表面的接枝聚合物和均聚物，这三个因素共同作用于纳米SiO2/PP复合材料微纤结晶熔融行为。其中，纳米SiO2粒子对PP具有异相成核作用，使PP在异相界面的诱导作用下进行结晶，从而缩短了成核的诱导期，使结晶速率加快；PP在熔融的状态下进行牵伸，有利于增强异相成核作用；改性纳米SiO2表面的接枝聚合物和均聚物通过大分子链的缠结作用加强与PP之间的界面结合，使PP高分子链作有序排列形成晶核的能力降低，这样在一定程度上抵消了纳米SiO2的异相成核作用。
(3)力学性能分析表明，牵伸作用可以提高纳米SiO2/PP复合材料微纤的拉伸性能，而且这种作用在高的牵伸倍数下更明显；在牵伸倍数大于15后，改性比未改性纳米SiO2/PP复合材料微纤的拉伸性能提高得更明显；单体与纳米SiO2为1∶1时的纳米SiO2/PP复合材料微纤的拉伸性能更好；而改性纳米粒子的用量为2.25vol％时，纳米SiO2/PP复合材料微纤的拉伸性能最佳。
(4)TEM分析表明，经注塑成型后，纳米粒子良好的分散性在复合材料中得到保持。力学性能测试发现，纳米SiO2/PP复合材料经过熔融牵伸后，在纳米SiO2粒子的填充量为2.25vol％下，其中拉伸模量、拉伸屈服强度、断裂伸长率、拉伸曲线下的面积和冲击强度均得到不同程度的提高。断面SEM观察，纳米复合材料中断裂由脆性断裂向韧性断裂转变。
(5)经DSC分析，添加改性纳米粒子并经熔融牵伸所得的复合材料微纤可以成为聚丙烯的β晶的成核剂，诱导聚丙烯生成β晶。同时，XRD分析，验证了复合材料的聚丙烯β晶的生成，并定量的计算得其含量为18.3％。β晶的生成有利于复合材料力学性能的提高。
(6)力学性能分析，经层压成型后，纳米SiO2/PP复合材料的力学性能与纯PP相比，依然得到提高。