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《兰州理工大学》 2005年
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聚合物/蒙脱土纳米复合材料及蒙脱土价电子理论的研究

陈奎  
【摘要】:聚合物/蒙脱土纳米复合材料是近十几年来研究最为广泛的复合材料之一,优异的力学、热学性能,独特的气、液阻隔性及阻燃性赋予它广泛的工业应用前景。本文首先介绍了聚合物/蒙脱土纳米复合材料的现状与发展趋势。然后,在蒙脱土的价电子结构参数的计算、四种聚合物/蒙脱土体系的研制以及其结构和多种性能表征等方面进行了研究和分析。 根据蒙脱土的晶体结构,设计结构单元,将固体和分子经验电子理论应用到蒙脱土中,通过计算,得到蒙脱土的价电子结构(键强、键能)。其结果表明:理想蒙脱土晶体结构中,氧桥相连的硅氧键共价电子约为铝氧键的三倍,说明了蒙脱土中,相对于硅氧四面体中的硅而言,铝易被其它阳离子同晶置换;蒙脱土中,层内氧桥相连的硅氧键键能和铝氧键键能比层间范德华力至少大一个数量级,从实际数据证明蒙脱土与其它物质发生作用时,只有层间距发生变化,而层内三个亚层结构稳定。从而,从电子理论和价电子结构的深层次,确定了蒙脱土片层单元的结构和键合特征以及与聚合分子相互作用、形成纳米复合材料的倾向。 采用原位插层聚合法合成出聚苯胺/蒙脱土(PAn/MMT)纳米复合材料,乳液插层聚合法合成出聚苯乙烯/蒙脱土(PS/MMT)纳米复合材料,聚合物熔体直接插层法合成出聚氯乙烯/蒙脱土(PVC/MMT)纳米复合材料。采用先聚合后熔融两步法制备出聚氯乙烯/聚苯乙烯/蒙脱土(PVC/PS/MMT)纳米复合材料。傅立叶红外(FTIR)和X射线衍射(XRD)结构表征结果显示:含2wt%~8wt%MMT的PAn、PS和PVC大分子链成功插入到MMT片层之间,复合材料中的各种MMT的001面特征衍射峰峰位均左移(层间距扩大),此外,PS/MMT、PVC/MMT和PVC/PS/MMT中蒙脱土的001面特征衍射峰峰强度变得很小,接近成为弥散峰(有望得到剥离型纳米复合材料)。 对复合材料的热性能进行了表征。TG测试显示:相对于纯聚苯胺而言,含3wt%~5wt%CTAB-MMT的PAn/MMT纳米复合材料热分解温度提高了48.5%;DTA测试显示:4wt%Na-MMT的PS/MMT纳米复合材料热分解温度比纯PS提高了10℃。 考察了不同蒙脱土含量对PS/MMT纳米复合材料的摩擦磨损性能的影响,结果表明:蒙脱土含量为2wt%时,其摩擦磨损性能最好,施加的载荷越小,此现象越明显。其中,200g载荷下,其磨损率比纯PS降低了28%。 对纳米复合材料进行力学性能测试:含6wt%MMT的PS/MMT复合材料的硬度比纯PS提高12.8%。
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