層狀雙氫氧化物及碳納米管-聚合物納米復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、聚合物/無機(jī)納米復(fù)合材料不僅具有獨(dú)特的納米級分散形態(tài),而且將其組分的優(yōu)點(diǎn)在納米尺度上完美地結(jié)合起來,因此表現(xiàn)出不同于常規(guī)微觀復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)、電、磁和光學(xué)等性能。不僅如此,它還可能具有單一的原組分所不具備的特殊性能或功能,因此為設(shè)計(jì)和制備高性能、多功能新型復(fù)合材料提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
　　本論文工作主要在聚合物/層狀雙氫氧化物(LDH)納米復(fù)合材料和聚合物/碳納米管(CNT)復(fù)合材料領(lǐng)域內(nèi)展開。一方面,本論文探討了聚合物/L

2、DH納米復(fù)合材料的制備方法,并對其結(jié)構(gòu)/形態(tài)和性能進(jìn)行了表征。采用原位聚合和溶液共混兩種方法制備了尼龍6/CoAl-LDH、聚己內(nèi)酯/CoAl-LDH剝離型納米復(fù)合材料。同時(shí)還利用LDH和CNT各自獨(dú)特的幾何特征和物理性能制備了性能優(yōu)異的尼龍6/CoAl-LDH/CNT三元納米復(fù)合材料。另一方面,本論文還探討了1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)和Curtius重排反應(yīng)組合修飾CNT的改性方法在尼龍6功能化CNT中的應(yīng)用。
　　具體研究工作以及

3、得出的主要結(jié)論如下:
　　1.制備了CoAl-LDH納米顆粒并對其進(jìn)行了插層改性,然后采用原位聚合方法獲得了力學(xué)性能優(yōu)異的新型CoAl-LDH/PA6二元納米復(fù)合材料。當(dāng)僅加入1wt％LDH時(shí),尼龍6納米復(fù)合材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度和硬度比純尼龍6分別提高了100％、75％和25％。此外,均勻分散的LDH納米片層使尼龍6復(fù)合材料的熱分解溫度顯著提高。
　　2.采用簡單溶液共混方法制備了完全層離型CoAl-LDH/聚己內(nèi)酯(P

4、CL)納米復(fù)合材料。將熱重分析、動(dòng)態(tài)紅外光譜與二維紅外光譜技術(shù)聯(lián)合起來,分析和探討了復(fù)合材料熱穩(wěn)定降低的原因,即材料的熱降解機(jī)理,結(jié)果表明:盡管剝離的CoAl-LDH片層的阻隔效果能在一定程度上提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性,但在高溫時(shí)也同時(shí)能催化PCL分子鏈的分解,從而降低復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。DSC研究結(jié)果表明剝離的LDH片層起異相成核劑的作用,從而加速PCL的熔體結(jié)晶過程。
　　3.通過DSC方法研究了PCL及其CoAl-LDH納米復(fù)

5、合材料的非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)行為以及CoAl-LDH含量變化對復(fù)合材料結(jié)晶行為和結(jié)晶形態(tài)的影響。結(jié)果表明,Avrami方法和Ozawa方法在分析該類納米復(fù)合材料的非等溫熔體結(jié)晶過程時(shí)均存在一定的局限性,而將二者聯(lián)合的Liu-Mo方法則能成功處理PCL及其復(fù)合材料的非等溫熔體結(jié)晶動(dòng)力學(xué)行為。結(jié)果表明,在復(fù)合材料的非等溫熔體結(jié)晶過程中,由于納米顆粒的異相成核作用,少量LDH的加入即能加快PCL的結(jié)晶速度。偏光顯微鏡照片也證實(shí)了這個(gè)結(jié)果。此外,還

6、應(yīng)用Kissinger,Takhor和Augis-Bennett三種模型對非等溫熔體結(jié)晶活化能進(jìn)行了估算。
　　4.通過1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)和Curtius重排反應(yīng)得到了己內(nèi)酰胺功能化的碳納米管,其合成路線包括:(1)原始SWNT在微波輔助條件下,與3,4-二羥基苯甲醛、肌胺酸發(fā)生1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng),得到表面帶有酚羥基的碳納米管;(2)常溫?cái)嚢钑r(shí)與4-羧基鄰苯二甲酸酐反應(yīng)得到表面帶有芳香羧基的碳納米管;(3)通過Curtiu

7、s重排反應(yīng)原位形成異氰酸酯功能化的碳納米管,但并不分離中間體,直接一鍋反應(yīng)得到己內(nèi)酰胺功能化的碳納米管。在此基礎(chǔ)上,用陰離子聚合方法得到了表面接枝尼龍6分子鏈的碳納米管。TGA結(jié)果表明尼龍6在碳納米管表面上的接枝率可達(dá)45％以上。
　　5.通過原位聚合方法制備了PA6/CNT、PA6/LDH、PA6/LDH/CNT三種納米復(fù)合材料,并比較了它們的力學(xué)性能。當(dāng)同時(shí)加入0.5wt％CNT和1wt％LDH時(shí),復(fù)合材料的力學(xué)性能最優(yōu)。與純

8、尼龍6相比,該三元納米復(fù)合材料的彈性模量和拉伸強(qiáng)度分別提高了230％和128％,并同時(shí)保持了適當(dāng)?shù)臄嗔焉扉L率,因此明顯表現(xiàn)出LDH和CNT的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)。這可能是因?yàn)樘技{米管能夠插層進(jìn)入LDH的層間,形成了一定程度的相互穿插和咬合,然后以不同的方式分散在尼龍6基體中,并在基體內(nèi)部分別與聚合物分子鏈相互作用、貫穿、纏結(jié),最后形成了彼此接觸的空間立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。材料的流變學(xué)行為研究表明在復(fù)合材料中確實(shí)存在著由CNT、LDH以及尼龍6分子鏈構(gòu)成