聚合物/粘土纳米复合材料结晶行为研究

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聚合物/粘土纳米复合材料是近10年来迅速发展起来的新兴交叉学科。聚合物/粘土纳米复合材料具有常规聚合物复合材料所没有的结构、形态、以及较常规复合材料更优异的物理力学性能、耐热性和气体阻隔性能等,目前已显示出重要的科学意义和应用前景。 由于该领域发展时间不长,国内外的研究工作还不够广泛和深入,以往的文献报道主要集中在材料的制备、微观结构以及物理力学性能的表征等方面。最近的发展趋势一方面是此类新材料的工业化生产,另一个很重要的方面是此类新材料制品技术的开发。成型加工是把聚合物/粘土纳米复合材料变成高性能制品的关键环节。在结晶性聚合物/粘土纳米复合材料的加工过程中,粘土纳米片层在聚合物基体中的分布及其与聚合物基体的相互作用必将对其结晶行为造成影响,从而影响制品的最终性能。对聚合物/粘土纳米复合材料结晶行为的系统研究,可为此类材料的成型设备及成型工艺的开发提供创造性的理论基础。 本文以热流型示差扫描量热计DSC 2920为测试手段,对PET/粘土纳米复合材料、以及尼龙/粘土纳米复合材料的结晶行为进行了系统研究。 (1)本文研究了PET、PET/粘土纳米复合材料以及增粘PET/粘土纳米复合材料在原始试样及淬火试样升温过程中的DSC行为,以及熔体降温过程中的DSC行为。基于大量实验结果,对粘土纳米片层在PET基体中的分散与PET结晶倾向的关系进行了分析,并研究了粘土纳米片层及增粘对聚合物基体在加热过程中熔融温度的影响。 结果发现:PET/粘土纳米复合材料在升温过程中的冷结晶起始温度及熔融温度都比PET低,而增粘PET/粘土纳米复合材料的熔融温度介于前两种材料之间;过冷度t_m-t’c大小顺序为PET/粘土纳米复合材料<增粘PET/粘土纳米复合材料<PET;结晶温度范围的大小顺序为PET/粘土纳米复合材料>增粘PET/粘土纳米复合材料>PET。 实验分析表明:粘土纳米片层在PET中的分散,使PET结晶倾向变大,结晶速率提高,这降低了PET的模塑温度,扩展了其在模塑制品方面的应用。本文认为这是因为升温过程中,在PET/粘土纳米复合材料中,由于分散在聚合物基体中的粘土片层使其结晶完善程度受损,晶粒尺寸减小,其熔融温度较之PET有所降低;而在增粘PET/粘土纳米复合材料中,不仅有粘土纳米片层对其结晶完善性的影响,而且还有加热时增粘作用的影响。加热时增粘使链段扩散难度增大,熔融温度有所提高,因而总的效果使得熔融温度介于前两种试样之间。 门)研究了陀T、匹T/粘土纳米复合材料以及增粘**T/粘土纳米复合材料淬火试样在几以下某一温度退火一定时间后从室温升温的DSC行为。本文基于具体退火试样的升温实验,研究观察了升温过程中,退火试样晶体熔融温度与退火温度的关系及产生机理和粘土纳米片层对这种关系的影响。 结果发现:升温曲线出现熔融双峰,且低温熔融峰温强烈依赖并略微高于退火温度,随退火温度To的升高,低温熔融峰都得到加强。 实验分析表明:低温熔融峰温与退火温度的上述关系是因为试样在某一温度下退火时,被稳定的晶体的熔点与该退火温度相同。在加热扫描过程中,该晶体会发生部分熔融再结晶为更完全晶体,故其融化峰出现在比退火温度高一些的温度。本文认为这是因为退火温度较高时,结晶速率变快,生成的球晶结构内的薄片厚度增加,且晶体完善程度增加,因此,其熔点升高,熔融峰得到加强。但其熔融峰加强幅度不同,P*T/粘土纳米复合材料的低温熔融峰随退火温度Ta的升高加强幅度最大,粘土纳米片层在PET中具有促进低温峰晶形生长的作用。 门)研究了尼龙、玻璃纤维增强尼龙及尼龙/粘土纳米复合材料在原始试样升温过程中、以及熔体降温过程中的DSC行为。基于大量实验结果,对粘土纳米片层和玻璃纤维对尼龙结晶性能的影响进行了分析。 结果发现:这三种材料熔融峰温高低顺序为尼龙>玻璃纤维增强尼龙>尼龙/粘土纳米复合材料;熔融结晶峰温高低顺序为尼龙/粘土纳米复合材料>玻璃纤维增强尼龙>尼龙;其过冷度的大小顺序为:尼龙>玻璃纤维尼龙>尼龙/粘土纳米复合材料。 实验分析表明:分散在尼龙基体中的玻璃纤维和粘土纳米片层起着异相晶核的作用,这使尼龙基体的熔融结晶温度升高,提高了尼龙的结晶速率,但玻璃纤维增强对其结晶速率的提高没有粘土纳米片层提高的程度 -11- \大。玻璃纤维增强尼龙的填充量较之尼龙/粘土纳米复合材料的填充量大得多,但其对熔融结晶温度的提高程度却比后者要小。这从另一侧面证实了聚合物/粘土纳米复合材料的忧势所在。 淬火试样升温过程也证实尼龙/粘土纳米复合材料和玻璃纤维增强的结晶速率都较尼龙要快。 饲)研究了尼龙、玻璃纤维增强尼龙及尼龙/粘土纳米复合材料淬火试样
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