纳米杂化玻璃纤维的连续制备及其在聚丙烯中的应用

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玻璃纤维增强聚丙烯复合材料,由于聚丙烯基体密度低、易加工和成本优势等优点,获得汽车轻量化领域的青睐。聚丙烯由于其分子结构缺少活性官能团呈非极性,在复合材料中与纤维的界面结合需要改善。利用聚丙烯易结晶的特点可以通过构造聚丙烯/纤维界面横晶结构达到改善界面结合的目的。本文采用湿法研磨实现了碳纳米管在水中的良好分散,并引入了成核剂,采用浸润法连续制备出玻璃纤维表面吸附有碳纳米管和成核剂的纳米杂化纤维,该纤维表面的碳纳米管和成核剂可以诱导聚丙烯/玻璃纤维界面横晶结构,改善聚丙烯和玻璃纤维的界面性能。纳米杂化玻璃纤维表面的碳纳米管网络还可以使纤维表面形成导电通路,使其可以作为导电填料,降低聚丙烯/碳纤维导电聚合物体系中高成本的碳纤维的使用量。  1.采用湿法研磨制备了分散良好的1wt%碳纳米管水分散液,碳纳米管分散粒径、粒径分布测试结果说明十二烷基苯磺酸钠(SDBS)可以改善碳纳米管在水中的分散性,减小分散粒径。紫外-可见光分光光度测试证明,延长研磨时间和提高SDBS用量可以降低分散粒径,研磨时间为60 min,SDBS为0.5wt%时碳纳米管分散粒径达210.2 nm。采用浸润法连续制备了表面吸附有碳纳米管的纳米杂化玻璃纤维(GFc),纳米杂化玻璃纤维可以作为导电填料应用于聚丙烯,在向CF含量6wt%的PP/CF复合材料中加入15wt% GFc,PP/CF/GFc复合材料表面电阻由1013下降至9.7×1010Ω。  2.采用湿法研磨制备了1wt%碳纳米管和0.5wt%成核剂混合分散液,采用浸润法将碳纳米管和成核剂引入玻璃纤维表面。成核剂的加入不会破坏碳纳米管的水分散性,分散粒径在198.1~224.5nm。偏光显微观察证明玻璃纤维表面碳纳米管可以诱导聚丙烯/纤维界面横晶结构,而纤维表面同时含有碳纳米管和成核剂时可以获得高致密程度的横晶结构,而未表面修饰的玻璃纤维(GF)不能诱导界面横晶结构。玻璃纤维表面有碳纳米管和TMB-5成核剂同时存在时的GFc-TMB5样品,等温结晶5 min后横晶层厚为156μm,横晶的晶体类型为α晶。PP/GFc-TMB5的界面剪切强度值为12.8 MPa,相对于未表面修饰的GF提高了58%,相对表面只有碳纳米管修饰的GFc提高了34%。  3.采用挤出成型将纳米杂化玻璃纤维与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)熔融共混,通过注塑成型制备出纳米杂化玻璃纤维增强PET复合材料(PET/GFc)。纳米杂化纤维增强PET的结晶性能优于PET/GF体系,PET/GFc的结晶温度相对于PET提高了26.9℃、相对于PET/GF提高了21.4℃,结晶度由PET/GF的31.6%提高至36.1%。GFc可以诱导PET在纤维表面结晶形成横晶结构,与未表面修饰的GF相比,界面剪切强度提高16.7%,PET/GFc复合材料拉伸强度相对于PET/GF提高了5.3%。纳米蒙脱土的加入可以使PET/GF体系拉伸强度和模量提高,但不能改善纤维与树脂的界面结合。流变复数粘度结果显示PET/GFc的复数粘度高于PET/GF,纳米蒙脱土加入PET/GF后复数粘度上升。
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