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《中北大学》 2010年
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超韧尼龙11结构与性能的研究及其共混合金相容性介观模拟

郭云霞  
【摘要】: 随着社会与科学技术的飞速发展,单一材料的性能已不能满足日趋发展的形势,高性能化、多功能化和复合化已成为材料发展的必然趋势。尼龙11相对于其它聚酰胺类材料,虽然具有吸水率低、耐油性好、耐低温、弹性记忆效应好、耐应力开裂性好、易于加工等优点。但是,纯粹的PA11的性能已不能满足各种产品对材料性能的特殊要求,且其相对较高的市场价格也限制了其应用领域的进一步拓展。因此,通过物理或化学改性的方法制备高性能和功能化PA11基合金材料的重要性越来越明显。 国内外学者对尼龙改性的研究颇多,尤以尼龙6和尼龙66的改性研究为主,而尼龙11改性研究相对较少。而且参阅大量文献时发现,国外研究重点集中在尼龙11的晶体结构、晶形转变以及压电性能上;国内在上述方面也进行了不少的研究。而国内外,在尼龙11增塑、增强、增韧等方面的合金研究则都相对较少。本文在以往实验经验的基础上,仍采用弹性体增韧的思路,这样可以保证韧性大幅度提高,达到超韧化目的。另外,聚合物之间的相容性是决定共混物形态结构和性能的关键因素,因此本文除了对尼龙11超韧化及其合金的力学性能、形态结构、结晶性能、流变性能进行系统研究外,还首次通过Materials Studio软件对尼龙11共混体系的相容性进行了介观动力学模拟,进而分析了弹性体的增韧机理,并首次提出三维网络化增韧机理。 本文主要从以下几个方面进行了研究: 通过不同增韧剂改性PA11,研究结果表明,采用POE作为增韧剂,POE-g-MAH为相容剂,增韧效果明显,且经济适用。单纯用POE-g-MAH增韧时,其含量的增加对PA11合金冲击强度的影响不大,而当体系PA11/POE/POE-g-MAH三元共混时,体系冲击强度可提高到80kJ/m2以上,且POE/POE-g-MAH存在一个最佳比例,MAH接枝率并非越大越好;而POE-g-MAH含量的增加却能使拉伸强度呈线性下降,但MAH接枝率的多少对共混物拉伸强度的影响不大。 动态力学性能研究表明,PA11中加入POE及POE-g-MAH后,复合体系的储能模量均比纯PA11的低;在共混体系中引入POE-g-MAH后,由于增加了PA11和POE两相间的界面亲和力,储能模量相对于AMO-0-30体系的要高;三元共混时,体系分子间的作用力增大,粘度增加,导致内耗明显增大;且损耗峰向高温方向移动,导致Tg升高。加入POE和POE-g-MAH可以有效降低PA11的吸水性,PAll与POE各个共混体系的p松弛峰高显著低于纯PA11的。 共混物冲击断面的SEM分析结果显示,PA11仅与POE共混时,两相界面清晰,界面粘结松散,形成所谓的“海-岛”结构,为典型的两相不相容体系;而当PA11/POE-g-MAH/POE三元共混时,两相界面变得模糊,分散相颗粒细化,分散相与基体材料粘结强度高,成为典型的“海-海”结构。 DSC研究结果表明,POE或POE-g-MAH的加入,起到异相成核的作用,可以提高PA11的结晶速率,降低晶体生长对时间的依赖性;相容剂POE-g-MAH的引入,使得PA11和POE的分子链发生缠结,增大了PA11体系的粘度,导致结晶速率下降,另外体系中形成的这些交联网络不易熔融,起到异相成核的作用,使得某些结晶不完善的小晶粒趋于完善,表现为低温熔融峰变小;纯PA11的成核方式只有均相成核方式,加入相容剂和弹性体后,结晶成核方式不仅存在自相成核方式,还存在异相成核方式,由于成核作用的影响,诱发其生长向高维数发展。 XRD研究显示,PA11中单纯加入POE,可使复合材料的晶体结构从Y晶型转变为α晶型;而体系中加入POE-g-MAH,可以提高PA11的结晶能力,且使晶形更加完善。 偏光显微成像研究发现,PA11中加入POE或POE-g-MAH后,黑十字消光现象消失,球晶尺寸明显变小,PA11球晶的生长受到破坏,生成大量的微晶和一些较大的晶粒;当体系变为三元共混时,由于POE-g-MAH使得PA11与POE的分子间的作用力增强,阻碍了PA11分子链折叠排入晶格的运动,不利于PA11球晶的生长,而只能以微晶形式存在。 毛细管流变研究认为,PA11及其与POE的复合材料都属于假塑性流体,POE和POE-g-MAH的引入,增加了共混体系的非牛顿性,对剪切应力或剪切速率的敏感性较大;共混体系的粘流活化能均大于纯PA11的,说明共混体系的熔体粘度对温度的敏感性较高。 采用介观动力学方法对PA11共混体系的相容性进行研究。采用珠子代替一个重复单元或分子片段,用由珠子组成的高斯链代替真实分子链,真实分子链的特性反映在珠子的性质上。模拟得到等密度图、自由能密度和有序度参数来表征共混体系的相容性。结果表明,PA11与POE共混体系中引入POE-g-MAH时,可以起到细化POE粒径的作用,同时它可以在PA11和POE之间形成连接点,使POE分子链接枝到PA11链上,进而提高了尼龙11的冲击韧性;共混体系介观模拟形貌基本上与实际共混物的断面形貌相吻合,这一事实验证了该模拟方法的合理性和可行性。 弹性体增韧机理分析认为,增韧后的PA11复合材料试样由于在冲击作用下,产生大量银纹或剪切带,消耗了大量能量,从而显著提高了材料的冲击强度;分散相粒子间距的减小,使得分散相应力场逐渐增大,产生塑性变形的幅度增加,材料韧性也随之增大;三维网络状的分散相粒子,在体系中不仅起到骨架作用,而且在外力作用下,网络发生大变形,引发大量的银纹,吸收外界能量,从而起到增韧的作用。
【学位授予单位】:中北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TQ323.6

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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