GO-ODA衍生物增容PP/PA6原位成纤复合材料的结构构筑与性能研究

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原位成纤技术是制备高分子共混材料的一种重要加工手段,在熔融共混过程中原位形成的聚合物纤维可有效提高共混材料的力学性能。但原位成纤复合材料(In-Situ Microfibrillar Composites,MFCs)基体与成纤相的不相容性限制了原位纤维的增强效果,一步法添加的传统增容剂常因可添加量不高和本征强度较低而导致增容效果不明显。此外,利用原位成纤复合材料的网络结构制备的导电复合材料也因导电填料使用量过大且难于有效控制其分布,使原位成纤复合材料的电学与力学性能难以兼顾。因此,如何制备一种新型增容剂和导电填料,通过结构构筑实现在较低增容剂下有效提升纤维增强效果和在较低导电填料添加量下获得具有均衡电学和力学性能的MFCs是高分子复合材料研究的重要问题。本课题制备了聚丙烯接枝氧化石墨烯(PP-g-GO)增容剂与热处理的氧化石墨烯接枝十八胺(HT-GO-ODA)导电填料,通过两步法制备了含有PP-g-GO的PP/G-PA6 MFCs与含有HT-GO-ODA的PP/F-PA6导电MFCs。考察了PP-g-GO、成纤相含量和牵引速率对PP/G-PA6 MFCs纤维形貌、流变特性、力学性能和非等温结晶性能的影响;探究了HT-GO-ODA含量及牵引速率对PP/F-PA6 MFCs纤维形貌、流变特性、导电性能、力学性能、非等温结晶性能、光热转换与热传导性能的影响。主要研究结果如下:(1)以GO-ODA为前驱体,成功制备了新型增容剂PP-g-GO与导电填料HT-GO-ODA。GO经过ODA水热还原与热处理后能有效恢复GO的石墨化结构,提升HT-GO-ODA的本征导电性。(2)对温度、螺杆转速和喂料转速等加工参数进行正交试验,获得PP/PA6MFCs较优工艺参数为:加工温度250°C、螺杆转速110 rmp、喂料转速90 rmp。(3)两步法制备的PP/G-PA6 MFCs含有高度异形纤维,PP-g-GO在降低纤维平均直径、减小直径分布范围、促进纤维分散和提升纤维异形程度方面优于PP-g-MAH。PP/G-PA6 MFCs在150 rmp牵引速率,G-PA6含量分别为15 wt%(含PP-g-GO 0.6 wt%)与12.62 wt%(含PP-g-GO 0.5 wt%)时获得最大弯曲强度39.40 MPa与最大拉伸强度46.35 MPa,比纯PP分别提升了42.19%与19.77%,实现了在低增容剂含量下提升纤维增强效果的设计。(4)三种PP/PA6 MFCs均呈现明显的凝胶化行为,凝胶点大小顺序为PP/PA6<PP/G-PA6<PP/M-PA6,凝胶强度大小顺序为PP/PA6<PP/M-PA6<PP/G-PA6。牵引速率增大使三种MFCs的纤维直径不断减小,凝胶点明显降低,拉伸和弯曲强度增大,诱导结晶能力增强,对纤维异形程度无明显影响。(5)非极性HT-GO-ODA能自发从纤维内部迁移至纤维表面,在低含量下构建了高效的纤维导电“内外通路”,PP/F-PA6 MFCs最低逾渗阈值达到0.68 vol%,低于大部分已报道的导电MFCs逾渗阈值。同时,纤维内分散良好的HT-GOODA提升了纤维的强度,纤维表面的HT-GO-ODA增强了纤维的促基体结晶能力,提高基体本征强度,并加强了界面粘附性,使含有1.8 wt%HT-GO-ODA的PP/F-PA6 MFCs具有最大的拉伸强度49.37 MPa,比纯PP提升了27.57%。PP/FPA6 MFCs中的纤维网络结构可有效进行热量传导,降低热量损失,呈现出较好的光热和导热效果。
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