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《北京化工大学》 2009年
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非极性聚合物/有机蒙脱土纳米复合材料的结构与性能研究

李培耀  
【摘要】:本文选择自制的有机蒙脱土(OMMT),不加入任何相容剂,直接与非极性聚合物进行复合,制备出了NR/OMMT、NR/BR/OMMT、NR/SBR/OMMT、EPDM/OMMT、HDPE/OMMT、LLDPE/OMMT、HDPE/LLDPE/OMMT、PP/OMMT等多种性能优异的非极性聚合物纳米复合材料。通过X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)等手段,从结构与性能的关系出发,研究了有机蒙脱土品种和含量、复合材料的制备方法、聚合物的种类等因素对聚合物/有机蒙脱土复合材料的力学性能、耐溶剂性能、耐热性能和阻隔性能等的影响,并从理论和应用两个方面进行了深入探讨。主要内容摘要如下: 1.通过研究几种NR/OMMT复合材料的综合性能选择出最佳的OMMT。利用TEM观察确认制备出了剥离型的NR/OMMT纳米复合材料,当OMMT仅为3.0 phr时,拉伸强度提高了近1倍,撕裂强度提高了57%,氧气透过率降低了49%。 2.利用机械共混法制备出了NR/BR/OMMT复合材料来研究OMMT在胎侧胶中的应用。通过综合性能测试选择出了OMMT的最佳牌号和最优添加量。利用XRD测试和TEM观察确认制备出了剥离型NR/BR/OMMT纳米复合材料;综合性能显示最佳用量3.0 phr时,拉伸强度和撕裂强度分别提高了75%和54%,溶胀指数也降低了22%,耐溶剂性能提高明显。而且典型的工业胎侧橡胶配方的性能测试结果显示,3.0 phr OMMT代替等量高耐磨碳黑时,性能提高明显,尤其是对于胎侧胶比较关键的撕裂强度指标从48.6KN/m提高到了58.8KN/m;而且若加入普通碳酸钙替代碳黑,可以在不降低性能的前提下,降低成本。 3.利用机械共混法制备NR/SBR/OMMT复合材料,用来研究OMMT在胎面胶中的应用。同样通过性能测试确定最佳OMMT牌号和最优添加量;并确认制备出了剥离型NR/SBR/OMMT纳米复合材料。而将OMMT应用到胎面橡胶配方之后,3.0 phr OMMT代替等量高耐磨碳黑时,性能提高明显,尤其是对于胎面胶最关键的耐磨性能测试的磨耗体积从0.565 cm~3降低到了0.483 cm3;而且若加入普通碳酸钙替代碳黑时,可以在不降低性能的前提下,降低成本。 4.TEM观察确认采用熔融挤出法,制备出了剥离型EPDM/OMMT纳米复合材料。力学性能测试结果显示在OMMT含量仅为3.0 phr时,EPDM/OMMT纳米复合材料的拉伸强度是纯胶体系的5.1倍,碳黑增强体系的3.8倍;定伸强度和撕裂强度都有显著提高。 5.TEM观察发现在不加相容剂的情况下,利用熔融挤出法,制备出了剥离型的HDPE/OMMT纳米复合材料,为OMMT在PE中的深入研究奠定基础。HDPE/OMMT纳米复合材料的力学性能提高明显,而且HDPE/OMMT纳米复合材料制备的复合薄膜的氧气透过量降低了37%,气体阻透性明显提高。 6.采用直接注射法,在不加相容剂的情况下,制备出了半剥离型的HDPE/LLDPE/OMMT纳米复合材料。在OMMT含量仅为4.0 wt%时,屈服强度和拉伸模量从纯复合聚乙烯的25.7MPa和322.5MPa分别提高到了32.8MPa和491.1MPa;而在OMMT含量为6.0%时弯曲强度和弯曲模量分别比纯样品提高了14.2%和60%。 7.XRD测试和TEM观察结果表明二次处理后制备的层间距最大的OMMT在LLDPE基体中形成了剥离型LLDPE/OMMT纳米复合材料,综合性能最好。 8.OMMT加入到聚乙烯基体中制备成了聚乙烯流滴膜,无滴持效期从3-4月左右提高到7-8月。 9.在不加入任何相容剂的条件下,制备出插层型的聚丙烯/有机蒙脱土纳米复合材料。这种插层型的聚丙烯/有机蒙脱土纳米复合材料,能够提高纯聚丙烯树脂的冲击性能至2倍多,而同时纳米复合材料的强度、刚性,尤其耐热性没有降低反而有所提高。 10.本文在非极性橡胶中的研究表明制备出的高性能的NR/OMMT纳米复合材料显示了低填充量、高补强的特性,同时为进一步的应用研究奠定基础。而OMMT在胎侧胶和胎面胶配方中的优异性能显示了OMMT在轮胎工业中良好的应用前景。挤出法制备的EPDM/OMMT纳米复合材料的综合性能显示其在制备高强度、低硬度或高强度、高伸长的乙丙橡胶制品具有很高的应用价值。 11.在非极性塑料中的研究发现气体渗透性的降低显示了纳米聚乙烯薄膜在提高真空保鲜袋保鲜期方面良好的应用前景。而制备出的高性能便携袋用的HDPE/LLDPE/OMMT纳米复合材料说明复合材料制备成便携袋后承重能力大大提高,从而可以通过增加每袋的承重量而减少这种包装材料的使用量,或减少用量而不降低承重量来达到减少使用量,降低“白色污染”的目的。PE/OMMT纳米流滴膜的较长的无滴持效期解决现有流滴膜持效期不足一个种植周期的问题。制备出的新型增韧的插层型PP/OMMT纳米复合材料显示在提高韧性的同时保持了聚丙烯耐热性好的优点,在制备热水管道用PPR管等方面具有良好的应用前景。 12.文中在理论分析方面通过对聚合物/蒙脱土纳米复合材料的研究成果进行系统总结和分析,结合示意图分析说明了OMMT层间距、聚合物分子结构和外部剪切力的大小对制备的纳米复合材料的形态的影响,得出了OMMT层间距越大,聚合物分子链越规整和外部剪切力越大越有利于纳米复合材料制备的结论。另外对具有不同亚微观形态的PP/OMMT和EPDM/OMMT纳米复合材料进行讨论,研究出了纳米复合材料中结构决定性能的关系。最后利用图示模拟演示蒙脱土片层在聚合物基体中的缠结、增强、抗压、阻隔和缓释等效应的原理。通过理论结合实验研究聚合物基蒙脱土纳米复合材料的机理,可以对聚合物/蒙脱土纳米复合材料的研究提供一定的依据。
【学位授予单位】:北京化工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TB383.1

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