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《兰州理工大学》 2006年
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PP、PMMA/MMT复合材料的力学、摩擦学性能及稳定性研究

陈奎  
【摘要】: 聚合物/蒙脱土纳米复合材料不但具有无机物的刚度、强度、尺寸稳定性和热稳定性,有机聚合物的塑性、可加工性和介电性能等优点,而且通过在纳米尺度上的复合,将各自的优势充分体现,赋于聚合物优异的性能,因而成为近年材料科学研究的热点。 本文在对层状硅酸盐蒙脱土(MMT)的结构单元进行固体与分子经验电子理论计算的基础上,以典型的通用塑料聚丙烯(PP)和工程塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基体,在优化合成工艺的基础上,分别采用乳液聚合法和熔融插层复合法制备出剥离型PMMA/MMT和PP/MMT纳米复合材料,并进行力学、摩擦学性能及在热、腐蚀介质作用下的稳定性研究。 通过固体与分子经验电子理论计算,获得蒙脱土晶体的价电子结构,证实蒙脱土晶体结构中,四面体中的Si不易被Mg、而能被Al同晶置换,八面体中的Al易被Mg同晶置换;从价电子结构层次上说明了蒙脱土三个亚层结构的高度稳定性,即在极性介质中可以改变蒙脱土的单元片层间距,但其内的三个亚层不易分离。 ~2wt%的蒙脱土以纳米化单片层形式分散于PP基体中,可以提高基体的硬度和拉伸强度,抑制其在水润滑条件下的磨粒磨损(250N载荷下,其磨损率为纯PP的50%,摩擦系数为纯PP的90%),明显减轻基体在干摩擦条件下的粘着磨损和塑性变形(150N载荷下,其磨损率为PP的30%~40%),但改善效果也随载荷的增加而下降。此外,热性能研究表明,1wt%~2wt%蒙脱土的加入,还使得PP基体的初始失重温度明显上升。相同条件下,TJ-2型蒙脱土改善PP基体摩擦磨损性能和热性能的效果更明显。 ~5wt%的蒙脱土分散于PMMA基体中,可以改善基体的硬度,有效减轻基体的粘着磨损(150 N载荷、干摩擦和水润滑条件下,其磨损率分别为同条件下纯PMMA的25%~35%和55%);明显提高基体的热分解温度(相对于KH-γc和TJ-2型蒙脱土而言,KH-V6型蒙脱土的加入,使PMMA基体的热分解温度提高最明显,热分解起始温度、峰值温度和终止温度分别比纯PMMA提高了3℃、17℃和15℃)。 随着MMT含量的增加,PMMA/MMT复合材料在硫酸介质中的腐蚀速率先下降后上升,当蒙脱土含量在2%~3%时,其片层阻隔作用使得复合材料的腐蚀速率最小;PMMA及其复合材料试样在硫酸介质中的腐蚀速率随腐蚀时间的延长整体呈下降趋势。随着腐蚀时间的延长,相对于复合材料表层腐蚀产物膜的阻隔作用而言,蒙脱土片层阻隔作用引起的复合材料的腐蚀速率下降变得不明显;随着硫酸浓度的增加,PMMA及其复合材料的腐蚀速率上升,MMT的阻隔作用减弱,相对于TJ-2型蒙脱土而言,KH-V6型蒙脱土改善PMMA耐硫酸腐蚀的效果更明显。 在建立剥离型聚合物/蒙脱土纳米复合材料逾渗模型的基础上,对PLSN的增韧和提高耐磨性行为进行逾渗理论分析,并采用标度定律进行验证。结果表明,MMT片层在剥离型纳米复合材料中起到交联点的作用,其增韧和提高耐磨性行为符合逾渗理论。 热分解动力学研究表明,失重22%以前,PP/2 wt%TJ-2型蒙脱土纳米复合材料的活化能大于纯PP;失重率在30%~80%时,PP及其复合材料热分解反应的机理函数分别为Valensi方程(n=1/2)和Mampel Power法则,对应机理为二维扩散和幂函数法则。 在失重37%以前,PMMA/5 wt%KH-V6型蒙脱土纳米复合材料的活化能高于PMMA;失重20%~80%时,PMMA和PMMA/KH-V6型蒙脱土纳米复合材热分解反应的机理函数分别为Jander方程(n=2)和G-B方程,即都属于三维扩散机理。KH-V6型蒙脱土的加入,使PMMA的不同失重率所对应的时间和不同温度下失重一半的时间有较大幅度的延长,复合材料的热稳定性上升。
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