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《河南大学》 2011年
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原位聚合表面修饰纳米SiO_2/尼龙6杂化材料的制备与性能研究

陈方飞  
【摘要】:选用带有不同表面官能团的纳米SiO_2,利用原位聚合的方法制备了几种性能优良的纳米SiO_2/尼龙6(PA6)杂化材料,分析了其机械性能、热性能和熔融结晶行为;考察了纳米SiO_2表面修饰基团的种类和组成以及纳米SiO_2的加入方式对杂化材料性能的影响,发现不同表面修饰纳米SiO_2与PA6基体间形成不同界面结构,从而造成杂化材料性能出现明显差异。主要研究内容和结果如下: 1、在聚合反应初期加入纳米SiO_2,表面含饱和有机碳链的纳米SiO_2(DNS-2和DNS-3)和表面含氨基官能团的纳米SiO_2(RNS-A)均能在PA6基体中良好分散,且均能在纳米SiO_2较低添加量的情况下(≤1wt%)有效地改善PA6的综合性能。TGA和FT-IR等分析表明,DNS-2和DNS-3与PA6基体之间以氢键和物理方式结合,而RNS-A与基体PA6之间以氢键和化学键方式结合,并且RNS-A粒子和尼龙分子链在杂化材料体系中形成局部三维网络结构。 2、DNS-2、DNS-3和RNS-A都能够增强增韧PA6,但三者的增强增韧效果有所不同。RNS-A能显著提高PA6的缺口冲击强度和拉伸强度,这是由于其在杂化体系中形成三维网络结构所致;当其含量为0.5wt%时,杂化材料的缺口冲击强度和拉伸强度达到最大,分别比纯PA6的提高45.7%和18.2%。DNS-3能够大幅度地提高PA6的拉伸强度;当其含量分别为0.2wt%和1.0wt%时,杂化材料的缺口冲击强度和拉伸强度达到最大,分别比纯PA6的提高12.5%和34.5%。DNS-2能在不影响PA6缺口冲击强度的前提下适度提高其拉伸强度;当其含量为0.4wt%时,杂化材料的缺口冲击强度和拉伸强度达到最大,分别比纯PA6的提高9.8%和20.7%。 3、DNS-2和DNS-3型纳米SiO_2对PA6的热稳定性影响不大,而RNS-A由于能够和PA6分子链在体系中形成三维网络结构,从而显著限制了PA6分子链的运动,并且大量界面化学键的破坏需要消耗更多的能量,从而有利于材料热稳定性的提高。RNS-A含量为1.5wt%的杂化材料的热分解温度比纯PA6的高10℃。 4、DNS-2、DNS-3和RNS-A的加入对杂化材料的熔融峰温影响不大,但都使杂化材料的熔融曲线上出现低温熔融小肩峰;与此同时,DNS-2、DNS-3和RNS-A的加入均能起到异相成核剂的作用,有利于提高PA6的结晶速率、结晶峰温和结晶度。但RNS-A与PA6基体的强界面作用使得PA6分子链的运动受到明显限制,对应杂化材料的结晶峰温和结晶度呈现先增后降的趋势。 5、在聚合反应初期加入纳米SiO_2,通过调节纳米SiO_2表面饱和有机碳链与氨基官能团的比例发现,随着纳米SiO_2表面氨基数量的减少,杂化材料中纳米粒子表面接枝的尼龙量也逐渐减少。其原因可能在于,随着纳米SiO_2表面氨基数量的减少,参与尼龙聚合反应的氨基数量也相应减少。另外,随着纳米SiO_2表面氨基数量的减少,对应杂化材料的力学性能逐渐下降,杂化材料的熔融峰温、结晶峰温和结晶速率均呈现出下降的趋势。 6、在聚合反应不同时期加入RNS-A,对比RNS-A与PA6基体的界面作用及其对杂化材料的力学性能、熔融结晶行为的影响,发现RNS-A加入时间推迟后,纳米粒子表面接枝的尼龙量增多。其原因可能在于,在聚合反应后期尼龙分子链充分增长,与RNS-A接枝的尼龙链长度增加。与此同时,较长的尼龙分子链有利于扩大杂化体系中三维网络结构的网格,从而造成杂化材料性能的差异。当聚合反应进行4 h后再加入RNS-A时,对PA6力学性能的改善效果最佳;纳米粒子添加量为0.5wt%时杂化材料的缺口冲击强度和拉伸强度同时达到最大,分别比纯PA6的提高113.4%和48.2%。随着RNS-A加入时间的推后,杂化材料的熔融峰温变化不大,熔融小肩峰消失,结晶峰温降低,结晶速率变小,但结晶度与纯PA6的相当或者较高。
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