聚苯乙烯/凹凸棒土、聚氨酯/凹凸棒土及其复合体系的制备及性能研究

论文摘要

近年来,聚合物/无机纳米复合材料是以聚合物为基体、填充纳米尺度的无机颗粒所形成的高分子复合材料,能将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、可加工性完美地结合,表现出良好的力、热等特性,具有重要的实用价值。凹凸棒土（Attapulgite,简称AT）是一种具有纤维状结构的水合镁铝硅酸盐。AT晶体形状为纤维状,其理想分子式为:[Mg5Si8O20（OH2）4·4H2O]。纤维长约0.5-1μm,直径50nm,长径比为20:1。聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PU）是重要的高分子工程材料。PS原料易得、性能好、成本低,主要缺点是耐热性差,脆性大。PU具有诸多优良特性,已广泛应用于各行业,然而热稳定性能和力学性能有待进一步改善。为了克服PS和PU的缺点,我们通过原位聚合的方法制备了PS/AT、PU/AT、PU/PS和AT/PU/PS互穿网络聚合物:1)采用原位聚合的方法成功地制备了PS/AT纳米复合材料。从TEM图可观察到AT不规则分散在PS基体中,DSC和DMA结果显示PS和AT之间存在相互作用,从而使得复合材料的热稳定性和玻璃化温度较纯PS都有明显提高。TGA结果显示随着AT含量的逐渐增大,复合材料的热稳定性得到改善。并且用Coats-Redfem方程描述了PS/AT纳米复合材料的热降解性能,结果表明:热分解活化能随着AT含量的增加而提高。2)采用原位聚合的方法成功地制备了PU/AT纳米复合材料。SEM观察表明AT能以纳米级别分散在PU基体中。DMA结果显示AT的加入使PU/AT复合材料的储能模量和Tg向高温移动,在整个温度范围内明显高于纯PU,并且由理论计算得出AT的加入增加了PU分子链的物理交联密度,提高了氢键断裂活化能。由于AT表面丰富的硅羟基能够与PU的硬段发生相互作用,增强了高分子间的键合力,从而提高了聚氨酯材料的拉伸断裂强度,并且在一定范围内提高了PU/AT纳米复合材料的断裂伸长,从而AT能提高PU/AT纳米复合材料的力学性能。3)采用原位聚合的方法成功地制备HPU/PS-IPNs（互穿网络）复合材料。2-羟乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）为端基的聚氨酯（HPU）由聚四氢（PTMG）,二异氰酸酯（TDI）和HEMA聚合而成。在偶氮异丁腈（AIBN）引发作用下,HPU与单体苯乙烯（St）聚合成HPU/PS-IPNs。SEM与DMA测试显示,HPU/St为50/50时形成的网络中各组分相容性最好。力学测试结果表明,HPU/PS-IPNs在HPU/St为10/90时,其拉伸强度比纯PS提高了164%。4)采用原位聚合的方法成功地制备AT/HPU/PS-IPNs复合材料。凹凸棒土（AT）经过提纯,在超声波的作用下均匀分散在苯乙烯单体中,再加入聚氨酯大单体与引发剂AIBN,制备凹凸棒土（AT）/聚氨酯大单体/苯乙烯（PU/PS-IPNs）复合材料。SEM观察表明AT能以纳米级别分散在HPU/PS-IPNs基体中。DMA结果显示AT的加入使HPU/PS-IPNs复合材料的储能模量和Tg向高温移动。力学测试结果表明,AT/HPU/PS-IPNs复合材料比HPU/PS-IPNs具有更高的拉伸强度和冲击强度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 纳米复合材料概论
• 1.1.1 聚合物基纳米复合材料的分类
• 1.2 凹凸棒土简介
• 1.2.1 凹凸棒土改性的处理方法
• 1.2.1.1 高温焙烧法活化
• 1.2.1.2 超声波处理
• 1.2.1.3 偶联剂处理
• 1.2.1.4 酸化处理
• 1.2.1.5 表面活性剂处理
• 1.2.2 凹凸棒土改性聚合物
• 1.3 本论文选题及内容
• 参考文献
• 第二章 聚苯乙烯/凹凸棒土原位复合材料的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验原料及性能侧试
• 2.2.1 原料及试剂
• 2.2.2 AT改性PS复合材料的制备
• 2.2.3 测试仪器及测试条件
• 2.2.3.1 TEM测试
• 2.2.3.2 DMA测试
• 2.2.3.3 DSC测试
• 2.2.3.4 力学性能测试
• 2.2.3.5 热性能测试
• 2.2.3.6 粒子分布测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 凹凸棒土提纯
• 2.3.2 AT/PS复合材料的TEM分析
• 2.3.3 AT/PS复合材料的DSC分析
• 2.3.4 AT/PS复合材料的TGA分析
• 2.3.5 AT/PS复合材料的DMA分析
• 2.4 结论
• 参考文献
• 第三章 聚氨酯（PU）/凹凸棒土原位复合材料的制备及表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验原料及性能测试
• 3.2.1 原料及试剂
• 3.2.2 PU/AT复合材料的制备
• 3.2.3 测试仪器及测试条件
• 3.2.3.1 SEM测试
• 3.2.3.2 DMA测试
• 3.2.3.3 力学性能测试
• 3.2.3.4 热学性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 PU/AT复合材料的SEM观察
• 3.3.2 PU/AT复合材料的红外分析
• 3.3.3 PU/AT复合材料的动态力学性能分析
• 3.3.4 PU/AT复合材料的力学性能分析
• 3.3.5 PU/AT复合材料的热稳定性能分析
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 聚氨酯大单体（HPU）/苯乙烯（St）互穿网络材料结构与性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验原料及性能测试
• 4.2.1 原料及试剂
• 4.2.2 HPU/PS共聚物的制备
• 4.2.3 测试仪器及测试条件
• 4.2.3.1 DMA测试
• 4.2.3.2 力学性能测试
• 4.2.3.3 FTIR测试
• 4.2.3.4 SEM测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 HPU/MMA共聚物的制备
• 4.3.2 HPU/PS-IPN复合材料的FTIR分析
• 4.3.3 HPU/PS-IPN复合材料的SEM分析
• 4.3.4 HPU/PS-IPN复合材料的动态力学性能分析
• 4.3.5 HPU/PS-IPN复合材料的力学性能分析
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 凹凸棒土（AT）/聚氨酯大单体/苯乙烯（HPU/PS-IPNs）复合材料结构与性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验原料及性能测试
• 5.2.1 原料及试剂
• 5.2.2 AT/（HPU/PS-IPNs）复合材料的制备
• 5.2.3 测试仪器及测试条件
• 5.2.3.1 SEM测试
• 5.2.3.2 DMA测试
• 5.2.3.3 力学性能测试
• 5.2.3.4 热学性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 AT/（HPU/PS-IPNs）复合材料的SEM分析
• 5.3.2 AT/（HPU/PS-IPNs）复合材料的动态力学性能分析
• 5.3.3 AT/（HPU/PS-IPNs）复合材料的力学性能的影响
• 5.3.4 AT/（HPU/PS-IPNs）复合材料的热失重分析
• 5.4 结论
• 参考文献
• 第六章 结论
• 致谢