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聚酰胺6/无机刚性粒子/POE-g-MAH超韧化研究

宋波  
【摘要】:本论文围绕高性能、应用研究和理论研究三个方面,对弹性体及无机刚性粒子增韧增强PA6复合材料的形态结构与性能的关系进行了较为系统和深入的研究,获得了一些有价值的发现。在大量实验数据的基础上,总结得出了一些规律性结果,并首次提出了“球形粒子滚动”(滚珠)增韧机理模型。开发了一些有价值的新产品,并且在工业上得到了初步应用,取得了较好社会和经济效益。这些工作主要包括: 1、研究了POE弹性体粒径大小PA6/POE共混力学性能的影响。结果表明:弹性体分散相粒径的大小与分布是影响共混物韧性的主要因素,弹性体分散相粒径小于0.2μm时,对PA6增韧效果不佳。但弹性体粒径大小和分布并不影响共混物的屈服强度和模量。例如,加入75%PA6/25%POE缺口冲击强度比PA6提高不到一倍。对于弹性体粒径的大部分在0.2μm以下,最小的小于50nm的80%PA6/20%POE-g-MAH,其缺口冲击强度仅比PA6提高了三倍多点。而弹性体粒子在0.2~0.5μm 间的80%PA6/13%POE/7% POE-g-MAH缺口冲击强度比PA6提高了近八倍。 2、以马来酸酐接枝的乙烯和辛烯共聚热塑性弹性体增韧尼龙6/蒙脱土纳米复合材料(NCH),结果表明: 在POE-g-MAH含量在8~10%间, NCH/POE-g-MAH复合材料发生脆韧转变。当POE-g-MAH含量为16%时,NCH/POE-g-MAH的缺口冲击强度已 WP=4 大于80kJ/m2;当POE-g-MAH含量为20%时,NCH/POE-g-MAH的缺口冲击强度已接近120kJ/m2。 NCH/POE-g-MAH复合材料的拉伸强度和弹性模量都是随POE-g-MAH的增加而线性下降。在相同的POE-g-MAH加入量时,NCH/POE-g-MAH略低于PA6/POE-g-MAH(约低4MPa左右),但NCH/ POE-g-MAH弹性模量高于PA6/POE-g-MAH。 弹性体增韧NCH的最佳粒径下限低于PA6。 3、研究了微米级CaC03(CC1)、纳米级CaC03(CC2)、普通CaC03(CC3)、或滑石粉(talc)作为刚性微粒,POE-g-MAH作为弹性微粒,首先将PA6/填料熔融共混,再将制得的复合材料与POE-g-MAH熔融共混制备得PA6/填料/POE-g-MAH复合材料的形态结构与性能。结果表明: 对于PA6/CaC03/POE-g-MAH体系,部分碳酸钙为橡胶包覆形成橡胶包覆粒子的核-壳结构(硬核-软壳)分散体,部分碳酸钙单独分散在PA6基体中。弹性粒子的粒径尺寸也变大。 以PA6/CaCO3为基料用POE-g-MAH增韧,PA6/CaCO3/POE-g-MAH产生脆韧转变所需的POE-g- MAH量比纯PA6多,且随碳酸钙的增加而增加,但碳酸钙的粒径大小对这种转变没有影响。CaCO3和POE-g-MAH对PA6有协同增韧作用,这种协同作用在脆韧转变之后表现相当明显,且随CaCO3的量的增大而越显著,微米级碳酸钙和普通碳酸钙的协同增韧作用优于纳米级碳酸钙。 得到了PA6/微米级CaCO3/POE-g-MAH的屈服强度与弹性体和碳酸钙体积含量关系经验公式为 。 得到PA6/纳米级CaCO3/POE-g-MAH的屈服强度与弹性体和碳酸钙体积含量关系经验公式为 。 在含有滑石粉的复合材料中,填料粒子主要单独分散在PA6基体中。与未加填料的PA6/POE-g-MAH相比,而体系中的弹性体粒子要大一些。加入了滑石粉的PA6/talc/POE-g-MAH和PA6/talc/CaCO3/ POE-g-MAH,复合材料的缺口冲击强度显著下降。 在组成重量比相同时,拉伸强度从大到小的顺序为PA6/talc/ WP=5 POE-g-MAH PA6/talc/CaCO3/POE-g-MAH PA6/CaCO3/ POE-g-MAH。 研究结果表明,进入到弹性体中的填料不能提高复合材料弹性模量,只有分散于基体中的填料才能提高复合材料弹性模量。 4、研究了纳米级CaC03、微米级CaC03、或滑石粉作为刚性微粒,POE-g-MAH作为弹性微粒,首先将POE-g-MAH与刚性微粒熔融共混制成母料,再将母料与PA6熔融共混制备得PA6/填料/POE-g-MAH复合材料的形态结构与性能。结果表明: 含微米级碳酸钙的体系主要形成橡胶包覆单个粒子的核-壳结构(硬核-软壳)分散体。与未加填料的PA6/POE-g-MAH相比,弹性粒子的粒径尺寸变大。加纳米级碳酸钙的体系中纳米级碳酸钙成橡胶包覆团聚粒子的核-壳结构(硬核-软壳)分散体。对弹性体粒子的大小及分布的影响与微米级碳酸钙相似。加滑石粉的体系的填料粒子主要单独分散在PA6基体中。与未加填料的PA6/POE-g-MAH相比,不改变弹性粒子的大小及分布。 从缺口冲击强度数据来看,随着POE-g-MAH包覆碳酸钙量的增加,脆韧转变后延。以POE-g-MAH包覆40%碳酸钙后对PA6的增韧效果最好,优于纯POE-g-MAH、包覆20%碳酸钙和60%碳酸钙的POE-g-MAH。 PA6/POE-g-MAH/CC2复合材料中纳米碳酸钙或者其团聚体与弹性体形成的“沙袋”结构并不能消除团聚体对材料韧性的劣化作用,不利于韧性的提高。 碳酸钙进入到弹性体后增加了弹性体体积,体现的是弹性体的性质。进入到弹性体中的填料不能提高复合材料弹性模量。 5、以PA6/超细碳酸钙/POE-g-MAH(组成为80/20/13.3,重量比)为例,考察四种工艺:(1)塑料、橡胶、填料三元一起共混;(2)塑料先与填料共混、再与橡胶共混;(3)塑料先与橡胶共混、再与填料共混;(4)橡胶先与填料共混、再与塑料共混。对制备的复合材料的相分布、结晶行为及力学性能的影响。结果表明: 工艺一的碳酸钙粒子既分散于基体PA6中,也分散于弹性体中。分散于基体中的碳酸钙粒子基本上是以单个粒子形式分散的,没有团聚;分散于弹性体中的碳酸钙粒子大部分是以团聚体形式分散的,也有少量是


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