聚对苯二甲乙二醇酯/层状双氢氧化物纳米复合材料

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太阳发射的紫外线按照波长可分为:长波紫外线UV-A(320-400 nm),中波紫外线UV-B(280-320 nm)和短波紫外线UV-C(200-280 nm)。UV-C和绝大部分UV-B都被臭氧层吸收,到达地球表面的UV-A会引起很多材料尤其是高分子材料的老化和损害。传统的防紫外线方法是直接添加无机紫外阻隔剂和有机紫外吸收剂,但这些方法有明显的缺陷:无机添加剂在高分子基体中很难均匀分散;而有机添加剂在材料的后续使用过程中会从材料基体中向表面迁移,出现浓度梯度,甚至产生“出霜”现象,导致了紫外线吸收性能的下降。有机-无机杂化纳米复合材料体系为上述问题的解决提供了一个很好的研究思路。无机填料经过有机紫外线吸收剂分子/离子的修饰后,与高分子基体的界面相容性得到显著增强,因而可以在纳米尺度上均匀分散在高分子基体中;另一方面,有机紫外线吸收剂分子/离子也被紧密地束缚在无机纳米粒子的表面,难以在高分子基体中发生迁移。本论文正是在这一背景下开展的研究工作。  在本论文中,发展了一种新型的具有高耐紫外线功能的聚对苯二甲酸乙二醇酯/层状双氢氧化物(PET/LDH)纳米复合材料的制备方法。首先,制备了不同尺寸的LDHs,并通过离子交换法得到了具有紫外线吸收性能的有机分子插层的LDHs;随后,选用PET这种常见且性能优良的聚合物树脂,采用溶液复合法,选择不同直径尺度的LDHs,对其进行表面有机化修饰,制备了PET/LDH纳米复合材料,并对复合材料的结构进行系统表征;进而,对纳米复合材料的耐紫外线功能性质进行了重点研究;最后,考虑到高分子材料的实际加工和应用过程往往是一个非等温结晶的过程,着重研究了纳米尺度分散的LDHs对PET非等温结晶动力学的影响。  主要研究内容和结果如下:  采用共沉淀法和尿素+HMT法制备了不同尺寸的LDHs,通过离子交换法将LDH-NO3交换为有机紫外线吸收剂阴离子(DDA2-)等阴离子插层的LDHs。交换后的LDHs结晶度高且无杂质残留,晶片依旧保持了原有的形貌与尺寸。  通过溶液复合法,成功制备了PET/LDH-NO3复合材料以及PET/LDH-DDA纳米复合材料。结果表明,在纳米复合材料中,LDH-DDA充分剥离并均匀分散在PET基体中。最后,系统研究了LDHs的表面有机化改性、含量以及尺寸大小等对纳米复合材料的耐紫外线性能的影响。发现含有LDH-DDA纳米粒子的复合材料表现出优异的耐紫外性能;随着LDH-DDA含量的增加,材料的耐紫外线性能明显增强;大尺寸的LDH-DDA对PET的紫外线增强效果优于小尺寸的LDH-DDA。  最后,采用DSC技术,重点研究了高度剥离的LDH-DDA纳米粒子对PET非等温结晶动力学的影响。Avrami方程和Mo方程成功地用于描述PET和PET/LDH-DDA的非等温动力学。LDH-DDA纳米粒子可以有效降低PET结晶活化能。另外,LDH-DDA纳米粒子作为PET结晶的成核剂,显著提高了PET的结晶速率,但没有改变其三维球晶生长模式。
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