黏土的表面改性及聚乙烯纳米复合材料的研究

【摘要】： 聚乙烯是应用最为广泛的热塑性塑料之一,对于其聚合物纳米复合材料的研究无论是在基础研究还是工业应用方面都具有重要意义。但是由于在不加入相容剂的情况下,非极性的聚乙烯分子链与传统的铵盐插层黏土相容性较差,成功制备聚乙烯/黏土纳米复合材料仍然是一个重要的研究课题。本论文主要开展了黏土的表面改性和聚乙烯/黏土纳米复合材料的研究。从黏土的表面改性入手,包括层间结构的优化和表面接枝改性,研究了黏土的改性与聚乙烯纳米复合材料的结构和性能的关系。本论文研究的主要内容及结果如下。 利用硅烷对黏土表面进行了接枝改性的研究,成功制备了表面接枝的黏土。系统研究了硅烷改性黏土的各种影响因素,溶剂,硅烷分子特性(烷基链长度,烷氧基,末端官能团),反应时间等条件,研究了接枝反应的机理和改性后黏土的结构特征与表面性质之间的关系。制备了不同改性方法的有机黏土,与传统的铵盐插层改性黏土相比,硅烷改性的有机黏土表现出明显的热稳定性和表面亲油性优势。研究了黏土在二甲苯和马来酸酐接枝聚乙烯中的分散,结果表明,铵盐和硅烷的协同作用将有利于黏土的分散,黏土的外表面和层间改性缺一不可。 采用熔融共混法成功制备了聚乙烯黏土纳米复合材料,并发现硅烷改性后黏土与聚乙烯的相容性增加,导致黏土片层在聚乙烯中具有独特的择优取向结构。通过改变硅烷含量、硅烷链长和加工转速等条件可以增加取向的程度。提出了聚乙烯纳米复合材料的结构可控性,通过调节黏土的插层和改性工艺以及共混加工工艺,能有效控制黏土在聚乙烯体系中的取向、插层和剥离,在不加入相容剂的情况下,能实现黏土的插层和剥离,在此基础上提出了黏土在聚乙烯中的分散机理。研究结果表明,黏土在聚合物中的分散并不是仅仅依靠剪切力的“剥落”作用,同时也依靠聚合物向黏土层间扩散的过程。 在研究聚乙烯/黏土纳米复合材料结构的基础上,系统研究了黏土表面改性与纳米复合材料性能的关系。研究了通过黏土改性调控的取向结构和剥离结构与材料力学性能关系,发现取向结构对材料力学性能的提高具有明显优势。研究了硅烷接枝改性、铵盐插层以及黏土的分散等因素对材料的紫外光氧化、热降解和热氧降解性能的研究。研究结果表明,硅烷改性覆盖了黏土表面的活性点,有利于延缓老化降解;而铵盐的催化作用会导致材料的加速老化;黏土的取向和均匀分散对于聚合物环境稳定性能具有明显增强作用。