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纳/微米材料的表面处理及其在高聚物基复合材料中的应用研究

陈海群  
【摘要】:纳微米材料在高聚物基体中的分散程度直接影响复合材料的性能,它们的分散和防团聚技术是材料能否实用化的关键。不同的纳微米粒子有着不同的表面基团、带电荷情况及电荷分布等物理化学特性,常规的处理技术很难将这些影响因素完全消除。本文围绕纳微米材料的表面处理及其在高聚物基体中的应用这一主题,系统地研究了超细红磷和蒙脱土两种常见材料的表面特性、表面处理方法及其与高聚物基体的界面特性,通过气相色谱(GC)、红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、差热(DTA)、热重(TG)、X射线光电子能谱仪(XPS)、紫外光谱(UV)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等现代分析仪器以及其它物理、化学方法对实验结果进行了表征和分析,全文主要内容如下: 1、对影响超细红磷安定性的因素以及磷化氢的缓释研究表明:红磷在空气中发生缓慢氧化、歧化反应,微量的铜、铁、镍等金属离子增加了它的吸水和氧化速度,其中铜离子的作用最为明显,而铝、锌等离子减慢了红磷的氧化速度,银离子对减少红磷的吸湿性效果最好。氢氧化铝、氢氧化镁、有机酚、亚铁氰化钾等抑制剂对减少红磷的吸湿性和抑制磷化氢的释放有明显效果。 用溶胶凝胶法制备了氢氧化铝微胶囊超细红磷,研究了反应条件对包覆结果的影响规律。通过酸洗、水洗除去超细红磷中的部分杂质,用廉价的工业硝酸铝和丙烯酰胺等制成氢氧化铝的高分子网络凝胶,改变条件在红磷表面形成紧密、牢固的凝胶包覆层,再经高温真空老化得到微胶囊超细红磷,产品的安定性有了较大的提高。 研究用有机材料对超细红磷进行微胶囊化的囊材选择和工艺条件。采用三聚氰胺甲醛树脂、偶联剂、表面活性剂等微胶囊化红磷,提高了红磷的安定性及其与有机体系的相容性。通过这种在红磷颗粒表面分批按极性大小胶囊几种大分子改性剂,以使红磷的表面形成几层结合紧密的、通过化学键结合的、极性逐渐过渡的微胶囊层,经过大分子键合改性后的红磷粉末,其表面张力与高聚物的界面张力均有不同程度的下降,改善了无机相与有机相的相容性,有利于微胶囊超细红磷在树脂基体中的应用。 研究微胶囊超细红磷与纳米氢氧化镁对无卤阻燃PA66工程塑料的协同阻燃增效的阻燃性能、力学性能、热学性能以及热分解反应动力学。当红磷用量在3%、氢氧化镁用量在5%以上时,氧指数就有大幅度的提高,试样可通过UL94V-0级垂直燃烧试验,同时氢氧化镁使PA66燃烧时的发烟量明显减少;由于对红磷的有效的表面处理,这种红磷/氢氧化镁协同体系保证了样品具有较好的力学性能和加工流动性;通过Flynn-Wall法和Kissinger法测定了PA66/RP复合材料的 热降解反应活化能,表明复合材料的热降解反应为一级反应。 2、广泛研究了适用于钠基蒙脱土(MMT)插层改性的有机插层剂、插层效果 以及插层机理。通过粘度法研究了十六烷基三甲基嗅化钱(C TAB)改性蒙脱土的 工艺条件,合成了新型二聚阳离子表面活性剂GeminiC,:并用它作有机插层剂应 用于蒙脱土的改性处理,结果表明阳离子表面活性剂己插层到蒙脱土片层间,扩 大了层间距,改性后的蒙脱土表面性质得到了很大的改善,在有机介质中表现出 良好的分散性。 发现各种阴离子表面活性剂对蒙脱土也具有改性效果,将十二烷基磺酸钠 (S DS)用作有机插层剂应用于蒙脱土的改性处理,其效果优于目前常用的阳离 子表面活性剂或有机胺处理效果。由于蒙脱土颗粒表面电荷分布的特殊性,在酸 性条件下更有利于吸附阴离子表面活性剂,经SDS改性处理的蒙脱土在苯乙烯 和甲苯中表现出很好的分散性、溶胀性和高触变性,改性蒙脱土与苯乙烯形成了 非牛顿触变凝胶体系。同时还研究了SDS与其它改性剂如CTAB等协同改性的 效果,将经CEAB插层处理的蒙脱土再用SDS处理后可以使蒙脱土的层间距由 1.18nm增大到14nln。 研究了乳液聚合制备聚苯乙烯(Ps)的工艺条件以及用SDS改性蒙脱土通过 乳液聚合制备了两种聚苯乙烯/蒙脱土(Ps胭MT)纳米复合材料。表明在蒙脱土层 间进行的原位插层聚合反应,伴随着聚苯乙烯分子链的体积增大和聚合反应放热 效应,蒙脱土片层的规整排列被破坏,蒙脱土片层被剥离或插层并均匀分散于聚 合物基体中,得到了复合良好的纳米复合材料,材料的热分解温度较纯PS分别 提高了25℃和40℃,且随有机蒙脱土含量的增加复合材料的热分解温度逐渐增 加,同时复合材料的热失重量逐渐减少,蒙脱土的加入促进了PS高温时的成焦 结炭量,制得的PS舰MT复合材料具有一定的阻燃性能。 利用原位聚合制备了MC尼龙舰MT纳米复合材料以及熔融挤出制备了尼龙 66/MMT纳米复合材料,结果表明尼龙高分子链进入了蒙脱土层间,同时蒙脱土 改变了尼龙的晶型,复合材料的力学性能和热学性能较纯尼龙有了相应的提高。


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