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碳纳米管增强增韧不相容共混物PP/EVA的研究

刘利  
【摘要】: 聚丙烯(Polypropylene, PP)以其综合性能优良而被广泛应用,但低温脆性却大大限制了它的使用范围。通过弹性体增韧改性PP是目前广泛使用的方法,但PP韧性提高的同时,强度和模量却急剧降低。尤其是当PP与弹性体相容性较差时,共混物形成典型的两相结构,具有非常清晰的两相界面,因而增韧效果不甚理想。碳纳米管具有在裂纹面上桥接,阻止裂纹引发和扩展的作用,因而在增强的同时,可以对聚合物起到一定的增韧作用。基于此,本论文拟采用具有一定结晶性能的极性弹性体聚乙烯-醋酸乙烯酯(Ethylene-co-vinyl acetate, EVA)增韧PP为研究对象,以碳纳米管为改性填料,通过碳纳米管的官能化改性,EVA聚合物中单体VA含量的选择,调控碳纳米管与PP和EVA两相之间的相互作用;在此基础上进一步研究了碳纳米管含量、共混物相形态、共混工艺等参数的变化对复合材料微观结构和宏观性能的影响。主要研究成果如下: 1)通过先酸化然后接枝马来酸酐的方法,成功地对碳纳米管进行表面修饰,在碳纳米管表面引入羰基、羧基、羟基等极性官能团。 2)不相容共混物PP/EVA的相形态结构随着EVA含量的变化而变化。当EVA含量低于40%时,共混物为典型的海-岛相形态;当EVA含量达到40%及以上,共混物则表现为典型的双连续相形态。碳纳米管的加入对共混物微观相形态产生明显的影响,而这种影响依赖于样品制备过程中母料的选择。具体表现为:以PP/f-MWCNTs为母料制备的三元纳米复合材料,f-MWCNTs的分散性较差;而以EVA/f-MWCNTs为母料制备的三元纳米复合材料,f-MWCNTs的整体分散性较好,但大都束缚在EVA相区中。 3) f-MWCNTs的引入有利于不相容共混物韧性的提高,其增韧效率依赖于复合材料中EVA含量和样品制备方法。表现为:对于PP/EVA (80/20)体系,冲击强度仅仅随着f-MWCNTs含量的提高而有轻微的提高,冲击断面整体光滑平整,并未呈现明显的剪切屈服或塑性变形,断裂方式属典型的脆性断裂;对于PP/EVA(60/40)双连续相形态体系,特别是以EVA为母料加工的组分,少量f-MWCNTs的引入即可大大提高体系的冲击强度,冲击断面非常粗糙,并伴随着大量的塑性变形以及纤维化特征,属于典型的韧性断裂。证明在含有双连续相形态的复合材料中,f-MWCNTs与EVA形成双网络结构,并且部分f-MWCNTs横跨不相容的两相界面,起到显著增强界面粘结力的作用,从而大大改善了该体系的力学性能。 4)在低速拉伸实验条件下,PP/EVA (80/20)体系均在较低的位移下发生了断裂,表现出典型的脆性断裂。f-MWCNTs的引入并没有明显的改善PP/EVA (80/20)体系的裂纹扩展情况,其裂纹扩展位移以及裂纹扩展能几乎保持不变,并没有随着碳纳米管含量的增加而增加。而碳纳米管的引入使得PP/EVA(60/40)体系在拉伸应力承载过程中,表现出更大的拉伸位移,属于典型的韧性断裂。在拉伸断裂过程中,碳纳米管的引入使得PP/EVA(60/40)体系引发能和扩展能都得到了大幅度提高,但是相比裂纹引发能的提高,断裂韧性的提高主要归功于裂纹扩展能的明显提高,断裂过程主要由扩展阶段来控制。说明碳纳米管在PP/EVA(60/40)双连续相形态中的作用表现为,在含有双连续相形态的复合材料中,f-MWCNTs与EVA形成双网络结构,并且部分f-MWCNTs横跨不相容的两相界面,起到显著增强界面粘结力的作用。碳纳米管联合EVA在共混物中形成的双网络结构以及界面上碳纳米管的桥联作用,可以显著改盖PP/EVA之间的相容性,有效增加裂纹引发吸收功,阻止裂纹的进一步扩展,从而大大改善了该体系的拉伸断裂韧性。 5)通过改变VA单体的质量百分比含量来调控基体的极性,以研究碳纳米管在不相容共混物PP/EVA中的选择性分散对分散相EVA的极性依赖性。热力学的计算分析表明,在EVA18体系中,大部分的碳纳米管会分散在不相容共混物PP/EVA的界面上;而在EVA28体系中,碳纳米管则更倾向于选择性的分散在极性EVA粒子内部。通过SEM以及TEM表征再次验证了碳纳米管在两种不同极性共混物中的分散。PP/EVA18体系中,分布于界面上的碳纳米管所形成的双网络结构以及EVA粒子在该体系中的均匀分散,导致了不相容共混物PP/EVA力学性能的大幅度增加;而在PP/EVA28体系中,由于碳纳米管被吸附到极性较强的EVA粒子内部,导致碳纳米管对EVA28体系的增韧效果不如EVA18体系。总的来说,碳纳米管的引入可以大大增强不相容共混物PP/EVA的力学性能,但这种增强增韧的效果依赖于加工顺序以及分散相极性的变化。


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1 刘利;碳纳米管增强增韧不相容共混物PP/EVA的研究[D];西南交通大学;2010年
2 谢格峰;不同流场下制备的PP/EVA共混物的流变—形态—性能关系研究[D];华南理工大学;2010年
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