聚乙烯醇/凹凸棒土纳米复合材料的制备、表征及其性能研究

论文摘要

以聚乙烯醇（PVA）为聚合物基体，以天然凹凸棒土（简称AT）为无机组分，通过溶液共混的方法制备了PVA／AT纳米复合材料。研究了AT的提纯、分散及表面改性处理；重点分析了PVA／AT纳米复合材料的结构与性能的关系，详细研究了其溶液流变性能、结晶动力学和热分解行为；并用湿法纺丝法进行了PVA／AT复合纤维的自制及中试化试验，对产品进行了较为详细的表征与分析。利用悬浮-沉淀法对商品AT进行了进一步的提纯；以超声波法对AT进行了分散处理；采用五种不同的改性剂对AT进行表面改性得到有机化AT。利用红外（FTIR）测试、X射线衍射分析（XRD）、动态接触角测试（DCAT）方法对有机化处理前后的AT进行表征，通过扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、透射电镜（TEM）测试观察AT的分散情况。结果表明，提纯后的AT杂质去除情况良好、产品颜色变浅；超声分散处理能打散AT的硬团聚，得到长度集中在550～750nm范围、直径集中在40～50nm的纳米棒状AT，但过长时间超声处理反而会导致AT的团聚，甚至打断AT，使长径比变小；由于本身结晶存在缺陷及其它原因，AT具有较高的表面活性，具有Si-OH或Al-OH基团；改性处理并不能改变AT的晶体结构，改性剂无法进入AT的晶层，只是附着在AT表面；除了个别情况外，不同有机改性处理均能提高AT的亲有机性。通过对PVA／AT纳米复合材料进行形貌与结构表征，发现AT在PVA基体中分散较为均匀，与PVA的界面结合紧密，过量AT的加入会导致部分AT的团聚；AT的加入不改变PVA的晶型，但使其结晶度稍有增加。性能测试结果表明，加入不同含量纯AT的PVA复合材料的力学性能提高很明显，拉伸强度最大提高了58％左右，模量提高超过了一倍；动态储能模量提高幅度较大；热分解温度也明显提高。不同表面改性的AT对复合材料的力学性能影响有所不同，其中γ-巯基丙基三甲氧基硅烷改性的AT对PVA力学性能提高最大，其次则是纯AT。根据这些结果对AT的改性机理进行了探讨，认为由于AT存在具有较高活性的反应点（如羟基），能与PVA之间形成较强的氢键作用，两者之间结合紧密，使AT能有效地分担PVA基体传递过来的载荷，从而提高复合材料的力学性能。而有机改性的AT虽然由于具有亲有机性，但如果亲有机端没有带能与PVA发生键合作用的极性官能团，反而可能会由于屏蔽了AT的部分活性点而降低增强效果。对复合材料进行结晶动力学研究表明，复合材料的非等温结晶行为可用修正Avrami方程来描述，发现一定AT加量的复合材料的结晶度、半结晶周期及结晶速率常数均比纯PVA的要高，说明一定加量的AT能作为体系的成核剂，并且能影响PVA晶体的生长过程。从复合材料的热分解曲线可知复合材料的热分解初始温度向高温移动，最大热失重速率对应的温度也移向高温，AT的加入能明显提高复合材料的耐热性。采用减差微分法对复合材料进行热分解动力学研究结果表明，复合材料的热分解活化能增大，进一步证明AT能提高复合材料的热稳定性。共混溶液流变性能的研究结果表明PVA溶液的流变性能明显受AT纳米棒加入的影响。AT能有效地防止由于PVA分子内或分子间氢键作用所导致的缠结，进而有助于PVA分子链的延伸，最终对纤维材料力学性能的提高有帮助。采用传统的湿法纺丝方法成功地制备出PVA／AT复合纤维，发现AT的加入无论是在小试实验过程中还是在中试试验中都对整个纺丝工艺无不良影响，PVA／AT复合纤维拉伸纤的力学性能比纯PVA拉伸纤的综合力学性能要好，在延伸率基本一致的情况下强度有20％以上提高的同时模量大幅度提高。认为AT纳米棒晶的定向排列以及AT使PVA结晶度的提高对纤维力学性能提高有贡献。而在中试试验中发现AT对硼法丝的增强效果不如非硼法丝的增强效果明显，说明AT起了类似硼的物理交联作用，可能对PVA分子链的伸直、承受拉伸载荷有很大贡献，从而提高复合材料的力学性能。本论文的研究结果将拓展AT的应用领域，提升AT的应用价值，为制备高性能PVA纤维提供理论依据和指导，对纳米改性纤维的制备和实现工业化生产具有一定的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的研究
• 1.3 凹凸棒土简介
• 1.4 凹凸棒土在聚合物改性中的研究
• 1.5 聚乙烯醇的增强改性研究
• 1.6 论文的立题依据、研究思路、研究内容、创新性及意义
• 参考文献
• 第二章 凹凸棒土的提纯、分散及其改性
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.3 测试与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 XRD分析
• 2.3.2 FTIR分析
• 2.3.3 DCAT分析
• 2.3.4 SEM、AFM及 TEM形貌观察
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 凹凸棒土/聚乙烯醇纳米复合材料的制备与表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要原料
• 3.2.2 复合材料的制备
• 3.2.3 测试与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 XRD分析
• 3.3.2 SEM及AFM形貌分析
• 3.3.3 TGA分析
• 3.3.4 DMA分析
• 3.3.5 力学性能
• 3.3.6 AT对PVA复合材料的增强机理探讨
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 聚乙烯醇/凹凸棒土纳米复合材料的非等温结晶动力学研究
• 4.1 引言
• 4.2 基本理论与分析方法
• 4.2.1 结晶热力学参数计算依据
• 4.2.2 Avrami方程
• 4.2.3 Avrami方程在非等温结晶动力学研究上的改进
• 4.3 实验部分
• 4.3.1 原料及试样制备
• 4.3.2 测试仪器及过程
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 结晶热力学分析
• 4.4.2 结晶动力学分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 聚乙烯醇/凹凸棒土纳米复合材料的热分解行为及动力学研究
• 5.1 引言
• 5.2 基本原理与分析方法
• 5.3 实验部分
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 热分解行为分析
• 5.4.2 热分解动力学分析
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 聚乙烯醇/凹凸棒土浓溶液动态流变性能的研究
• 6.1 引言
• 6.2 基本理论与分析方法
• 6.3 实验部分
• 6.3.1 实验原料
• 6.3.2 聚乙烯醇/凹凸棒土共混浓溶液的制备
• 6.3.3 测试方法
• 6.4 结果与讨论
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 聚乙烯醇/纳米凹凸棒土复合纤维的试制
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 实验原料
• 7.2.2 实验方法
• 7.2.3 性能测试
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 PVA/AT纺丝原液及复合纤维的性能
• 7.3.2 中试试验制备的 PVA/AT复合纤维的部分研究结果
• 7.3.3 AT增强 PVA纤维的机理探讨
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第八章 全文总结与工作展望
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢