论文部分内容阅读
无机纳米粒子／聚合物复合材料是当今材料科学研究的热点之一。该材料的特点在于，加入少量的纳米填料可明显提高聚合物的性能。但是由于纳米粒子颗粒度小，具有极高的表面能，极易团聚；同时无机物与高聚物极性相差很大，相容性差。因此，提高纳米粒子在聚合物基体中的分散程度以及增强纳米粒子与聚合物之间的界面相互作用是提高此类材料性能的关键。反应性增容技术是解决上述问题的有效途径，但这方面的研究目前仍然较缺乏，对其开展深入研究具有重要的理论和实际意义。
本工作采用溶液接枝的方法对纳米SiO2粒子进行表面接枝改性，引入反应性官能团(如PAM)，研究了单体浓度、引发剂浓度、反应时间、反应温度等对接枝聚合的影响；并采用常规的熔融共混方法制备反应性增容SiO2／PP复合材料。为了进一步探索利用反应性增容技术制备纳米粒子增强增韧聚丙烯的新途径，本工作还利用类流体原理，将纳米SiO2表面接枝季胺盐，然后与磺化三元乙丙橡胶(SEPDM)以及PP熔融共混，制备了纳米SiO2／SEPDM／PP三元复合材料。利用FTIR和TGA对纳米粒子表面的改性效果进行了研究；同时还通过DMA、DSC、XRD、SEM等对所制备复合材料的动态力学性能、结晶行为、断裂面形貌等进行了研究，探讨了利用类流体技术形成改性纳米粒子和弹性体协同增强增韧聚丙烯的可行性。
主要研究结果如下：
(1)通过KH570偶联剂预处理，获得了烷基化纳米SiO2粒子；并通过水溶液聚合的方法将带有反应活性官能团的聚丙烯酰胺化学接枝到了纳米SiO2表面，接枝率为27.9％。
(2)利用硅烷和叔胺合成了目标产物季胺盐(QAO)，并通过化学键接枝到纳米SiO2表面，接枝率为25.6％。另外，通过溶液方法，制备了磺化三元乙丙橡胶。
(3)采用常规熔融共混工艺，分别制备了反应性增容SiO2／PP复合材料，以及纳米SiO2／SEPDM／PP三元复合材料。力学性能分析表明，反应性增容可有效提高SiO2／PP复合材料的力学性能，特别是冲击性能，达到了良好的增韧增强效果，增容剂聚丙烯接枝马来酸酐的最佳添加量为5wt％；对于三元共混体系，EPDM或SEPDM对PP、改性SiO2／PP复合材料有较强的增韧效果，一定条件下纳米SiO2和EPDM表现出协同增韧的效应，可以有效提高三元复合材料的静态拉伸力学韧性。综合考虑EPDM对静态和动态力学性能各方面的影响，弹性体EPDM或SEPDM的添加量取6wt％最合适。
(4)结晶行为研究表明，反应性增容能极大提高纳米SiO2的成核活性，增强纳米粒子的异相成核作用，使结晶温度升高，结晶速率加快，球晶细化。非等温结晶动力学研究表明：在一定降温速率下，采用Avrami方程对非等温结晶过程处理是可行的；改性纳米SiO2刚体粒子与EPDM弹性粒子的加入改变了PP成核和生长机理。
(5)改性纳米SiO2、增容剂、EPDM的加入可使PP的晶型发生改变，有利于β晶的形成。在拉伸后，PP及其复合材料中晶体的取向有显著的提高。
(6)反应性增容使PP玻璃化转变温度移向低温，改性纳米SiO2通过改变PP的结晶行为间接影响了PP的玻璃化转化温度。EPDM对PP有很好的增韧作用，且两者有很好的相容性。由于EPDM的加入，SiO2-g-QAO／EPDM／PP、SiO2-g-QAO／SEPDM／PP复合材料的低温韧性得到提高。SEPDM上的磺酸根与SiO2-g-QAO上的抗衡粒子有一定程度的交换，从而表现出了一定的类流体的性质，使复合材料的储能模量降低。
(7)SEM观察发现，接枝改性后的纳米SiO2可以提高其在反应性增容PP复合材料基体的分散程度，增强纳米粒子与基体的界面相互作用，促进基体的塑性屈服；对于三元体系，加入EPDM或SEPDM后，EPDM或SEPDM和纳米SiO2在PP基体中呈“独立分散”结构，冲击断面变得较为凸凹，呈现出基体屈服后撕裂的特征，表明有效阻止了裂纹的扩展。