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尼龙6/蒙脱土纳米复合材料的制备与性能表征

李晓冬  
【摘要】:尼龙6因其优秀的力学性质和可加工性而被广泛应用于工程领域。各种增强体,象玻璃纤维、碳纤维、天然纤维和晶须等填料经常被加入到尼龙6 中以进一步增强其各种性能。如果填料以纳米尺度分散在尼龙6的基体中,可以预期其力学性质将会进一步增强。插层和剥离是制备尼龙6硅酸盐纳米复合材料的两种重要方法。利用这两种方法制备出的复合材料由于粘土以纳米尺度分散在聚合物机体中,从而赋予该材料优良的力学性质和体障碍性。虽然尼龙6纳米复合材料的许多增强性质可以通过分散在低模量基体里的高模量,比表面大的硅酸盐片层的插层和分散来解释,但是纳米复合材料的一些性质也和聚合物基体的结构改性有密切关系。因此,理解、特别是从设计的观点理解哪些因素影响尼龙6的结晶行为和结构变化,这些变化如何影响材料的物理和力学性质等问题就显得十分重要。另外,蒙脱土的有机改性怎样影响蒙脱土被插层或剥离;被粘附到蒙脱土硅酸盐片层上的聚合物链怎样影响纳米复合材料的形态; 加工条件怎样影响硅酸盐片层在尼龙6 基体中的剥离和取向等问题到目前为止仍不能很好地被理解。 WP=71 本文利用不同的表征手段研究了尼龙6/蒙脱土纳米复合材料的结晶结构、热学和力学性质。 1.尼龙6/蒙脱土纳米复合材料的制备: 在800 ml的80 oC 水中加入4.8 克的 11氨基酸, 然后注入到含有20 克的蒙脱土水溶液中。将这种混合溶液在80 oC的温度下猛烈搅拌3小时后冷却到室温,经过滤去除水分后在真空烘箱中烘干。由这个过程所得到的离子交换蒙脱土称为处理土。 将这种处理的和未处理的蒙脱土按不同重量配比和己内酰胺混合,在加入少量6-氨基己酸做引发剂,在氮气的保护下使己内酰胺开环聚合形成复合物。X射线和透射电子显微镜表明蒙脱土的硅酸盐层被解离并均匀地分散在尼龙6的基体中,形成6/蒙脱土纳米复合材料。 2. 尼龙6/蒙脱土纳米复合材料的形态:当处理和未处理的蒙脱土通过原位聚合加入到尼龙6的基体中时,两种蒙脱土的硅酸盐纳米片层被撑开了。撑开的距离和蒙脱土在尼龙6 基体中的含量成反比。 3. 尼龙6/蒙脱土纳米复合材料的结晶行为:在X射线衍射花样里,开环聚合形成的尼龙6表明两个( 结晶峰。然而,蒙脱土的添加改变了尼龙6 基体的结晶结构,除了两个( 结晶峰外, WP=72 在位于 2θ = 21.7 o处,出现一个新的结晶峰,这是典型的 ( 相的(110)衍射。尼龙6 的DSC扫描表现出单一的熔化峰,而尼龙6 /蒙脱土纳米复合材料则存在两个熔化峰, 表明蒙脱土的引入导致了( 相生成。这个规律与X射线衍射结果吻合的很好。一般地说,( 相是不稳定的, 它可以通过高温淬火来获得。很明显,蒙脱土的硅酸盐有利于( 相的形成。蒙脱土的添加限制了尼龙6 的球晶生长,并可完全破坏球晶结构。11-氨基酸处理的蒙脱土和尼龙6分子间有很强的相互作用。蒙脱土在尼龙6基体中起异相形核作用,这可以通过Malau试验和红外光谱得到证明。 4. 尼龙6/蒙脱土纳米复合材料的力学性质: 在低蒙脱土含量时( ( 5% wt.),尼龙6/蒙脱土纳米复合材料抗张强度、模量、断裂伸长以及冲击强度均比尼龙6优良。处理蒙脱土纳米复合材料的力学性质比未处理的蒙脱土纳米复合材料的力学性质更为优良,可能的物理原因是处理的蒙脱土在尼龙6基体中具有更好的分散性。


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