反应封端及氢键作用对改性聚甲基乙撑碳酸酯结构与性能的影响研究

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聚甲基乙撑碳酸酯(PPC)是由二氧化碳和环氧丙烷通过共聚反应合成的一种脂肪族聚碳酸酯,PPC的合成能够高效固定二氧化碳,同时PPC又能完全生物降解,是一种极具发展前景的“绿色塑料”。然而,PPC分子链较柔顺,分子间作用力较低,呈现无定形的聚集态结构,热学和力学性能较差,限制了PPC的广泛应用。本论文从PPC分子结构特点入手,基于其分子链上存在末端活性羟基以及PPC易于质子给予体和受体形成氢键作用的原理,采用反应封端处理末端羟基和引入氢键作用对PPC进行改性,研究封端剂类别和含量、氢键作用等对PPC复合材料热性能、力学性能和流变行为的影响,研究其对改性PPC结构与性能的作用机理,为高性能PPC复合材料的制备和应用提供理论指导。基于PPC“解拉链式”的热降解机理,采用三种封端剂,包括酸酐(分别为马来酸酐(MA)、邻苯二甲酸酐(PA)和均苯四甲酸二酐(PMDA))、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)和环氧类扩链剂(Joncryl ADR-4370),分别与PPC反应挤出,制备反应封端PPC,研究封端剂类别和添加量对PPC分子链结构的作用机理。采用红外谱图分析、化学滴定法、特性黏度法来表征PPC分子链结构,测试PPC的力学性能、耐热性能和流变性能,探讨改性PPC结构与性能之间的关系。结果表明:不同类型的酸酐存在两种不同的作用机理,反应活性较强的MA与PPC发生酯化反应,反应活性较弱的PA和PMDA,利用酸酐的羰基与PPC末端的羟基形成氢键作用;MDI小分子上的异氰酸酯基能直接与PPC末端的羟基发生封端反应;Joncryl分子链上的环氧基团与PPC末端的羟基发生封端反应,由于Joncryl分子结构上含有甲基丙烯酸基团、苯环等极性基团,因此Joncryl与PPC分子链相互作用较强,能够更有效的提高PPC初始分解温度。从复合材料界面物理和化学性质出发,基于分子间氢键可以加强树脂基体与填料之间的相互作用,有利于提高复合材料的热力学性能。本论文选用两类与PPC能产生较强氢键作用的填料:尼龙66(PA66)短纤维和纤维素(微晶纤维素(MCC)、纳米微晶纤维素(NCC)),采用熔融共混的方法,制备PPC/PA66短纤维、PPC/MCC、PPC/NCC复合材料,研究氢键作用对复合材料结构与性能的作用机理。对PPC/PA66短纤维复合材料,红外光谱和核磁共振结果表明PA66短纤维的羰基与PPC分子链中的羟基之间形成了氢键,PA66短纤维的引入提高了PPC的力学性能和热学性能。当短纤维含量为20wt%时,复合材料的缺口冲击强度提高了315.8%,初始分解温度和玻璃化温度分别提高了32.2℃和3.8℃。当短纤维含量继续增加至30wt%时,由于高含量的纤维之间容易发生团聚,导致复合材料的力学性能略有下降。PPC力学和热学性能的显著提高,主要原因是氢键作用的形成和PA66短纤维受力后发生的拉丝形变所引起。对于PPC/MCC材料体系,从复合材料结构和增容机理出发,采用MDI作为增容剂,基于MCC表面羟基以及PPC端羟基的活性,分析MDI的增容机理,研究MDI增容效果以及MDI添加量与复合材料力学性能、耐热性能、流变性能之间的关系。MDI小分子上的异氰酸酯基能与MCC、PPC的羟基发生反应,增强复合材料中聚合物基体和填料的相互作用,使其不仅仅是单纯的物理共混,而是通过MDI使MCC与PPC基体产生化学结合,这种化学作用有利于提高复合材料的热力学性能。对于PPC/NCC材料体系,以水溶性PEG为载体将NCC均匀的分散在PPC基体中,制备PPC/PEG/NCC复合材料,NCC能有效地改善PPC与PEG的相容性。随着NCC含量增加,复合材料的复数黏度、弹性模量、初始热分解温度不断提高,PPC/PEG/0.7NCC复合材料的初始热分解温度比纯PPC的提高了36℃,这可能是因为PEG和NCC表面有大量羟基以及NCC能够提供足够的表面积与PPC分子形成氢键,抑制PPC的热降解。
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