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聚合物/蒙脱土(MMT)纳米复合材料与传统的复合材料相比,具有优越的性能。当蒙脱土片层均匀的剥离在聚合物基体中时,材料性能的提高尤为明显。聚乙烯(PE)是一种得到广泛应用的性能优异、价格低廉的聚合物,因此制备PE/MMT纳米复合材料是人们关注的焦点。从效率上讲,原位聚合方法比溶液共混或借助增容剂的熔融共混方法更易制得纳米分散的复合材料。但是,理论研究表明通过原位聚合方法仅仅是简单的把MMT均匀分散在PE中,并不能得到热力学稳定的结构,因为MMT与聚烯烃在热力学上是不相容的。所以要想得到热力学稳定的且纳米分散的PE/MMT复合材料,就必须要求具备强的界面相互作用。本论文系统研究了在茂金属/甲基铝氧烷(MAO)催化体系下两种不同的原位聚合方法,制备具有强界面相互作用的PE/MMT纳米复合材料。主要的结论如下:
1.通过填充聚合,由具有聚合活性的改性剂制备得到的改性MMT(P-MMT)通过茂金属催化共聚合反应接入到PE分子链上。由于PE分子链与P-MMT的共价联接作用,使在聚合过程中由机械搅拌形成的剪切力可以通过连接P-MMT与PE的改性剂分子传递到P-MMT上。实验证明剪切力的有效传递是P-MMT比不具备聚合活性的有机改性剂改性MMT(12-MMT)更容易剥离的因为。在填充聚合过程中,P-MMT在聚合介质甲苯中逐渐剥离并被溶剂溶胀而形成P-MMT胶体。同时发现,PE/P-MMT纳米复合材料的形貌受到聚合前P-MMT在聚合介质中形成聚集体尺寸大小的影响。在表观上表现为PE/P-MMT纳米复合材料的形貌受到P-MMT在聚合介质中浓度的影响。当P-MMT的浓度较低时,P-MMT在纳米复合材料中更容易形成剥离结构。
2.具有强界面相互作用的PE/P-MMT纳米复合材料在拉伸形变过程中表现出与未填充PE及不具备强界面相互作用的PE/12-MMT复合材料截然不同的形变性能。由于良好的分散状态和强界面相互作用的存在,使P-MMT与PE基体形成了可变形网络状结构。因此,通过在形变过程中P-MMT与PE的协同运动,使形变过程中P-MMT片层与PE分子链活动能力提高,表现为两者形变后的取向度增加。两组分间的强相互作用也是PE/P-MMT纳米复合材料在拉伸过程中空穴化强度得到抑制的因为,进而使材料的拉伸强度得以提高。
3.根据对茂金属催化PE/P-MMT纳米复合材料的流变学研究,由P-MMT及PE基体所形成的三维网络结构使PE/P-MMT纳米复合材料的熔体强度相比PE基体及PE/12-MMT纳米复合材料得到提高。用超临界二氧化碳作发泡剂对PE/P-MMT纳米复合材料作发泡实验,结果表明PE/P-MMT纳米复合材料(以P-PE3为例)的发泡倍率远比PE基体及PE/12-MMT纳米复合材料高,其最佳发泡温度为142℃。当P-MMT含量相对比较低时(0.2-1.0wt％),PE/P-MMT纳米复合材料的发泡倍率随着P-MMT含量的增加而增大,并在含量为1.0wt％时达到最大值14.7;当P-MMT含量继续增加时发泡倍率开始下降,这可能是因为当P-MMT含量增大时会造成P-MMT分散变得不均一。
4.通过原位插层聚合成功的制备了剥离结构且热力学稳定的PE/MMT纳米复合材料。将一种多功能的有机改性剂交换入MMT层间制备得到改性MMT(F-MMT)。由于这种改性剂分子中有羰基结构,所以使F-MMT负载茂金属催化剂的负载量得到提高,而且茂金属催化剂能更有效的负载到MMT层间。在这种情况下,乙烯聚合过程中更多的PE分子在MMT层间生成,这就实现了在高MMT含量下制备剥离结构的PE/F-MMT纳米复合材料。原生态的PE/F-MMT是一种象花瓣一样的微球,直径大约为5μm。研究发现,由于在原位聚合反应过程中产生了应力,在制备得到的PE/F-MMT纳米复合材料中生成了一种热稳定的单斜晶型。由于多功能改性剂中含有末端烯基,在原位插层聚合中末端烯基通过共聚合反应接入到PE分子链中。所以F-MMT与基体间有强的界面相互作用,这种强相互作用使剥离状态分散的F-MMT片层具有良好的热力学稳定性。