熔融共混制備聚甲醛基納米復(fù)合材料及其性能研究.pdf

1、隨著納米技術(shù)的進步和發(fā)展,納米粒子借助其獨特的性能取代微米粒子制備聚合物基納米復(fù)合材料得到人們的廣泛關(guān)注。分散相納米粒子與聚合物基體的相互作用對改性效果有直接影響。本文分別選用不同表面官能團的納米SiO2、TiO2納米管以及TiO2納米纖維作為改性體,通過熔融共混法制備出聚甲醛(POM)基納米復(fù)合材料,分析不同形貌納米改性體對POM基體力學(xué)性能、熱性能的影響;同時研究了不同表面官能團的納米SiO2對POM基體結(jié)晶行為的影響;并考察了Ti

2、O2納米管和TiO2納米纖維對POM阻燃性能的影響。結(jié)果表明,納米改性體表面的不同的官能團和納米改性體的形貌對POM的性能有顯著的影響。
　　本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　1、用表面具有不同官能團的納米SiO2和TiO2納米管作為改性體改性POM,通過TEM研究分散相的分布狀態(tài),發(fā)現(xiàn)可分散性納米SiO2(DNS)表面因含有甲基,在其含量為1wt％時仍能夠在POM基體中分散均勻;而可反應(yīng)性納米SiO2(RNS)表面含有活

3、性較大的氨基,在稍高含量(1.0wt%)時就會在POM中發(fā)生團聚;未修飾的二氧化鈦納米管(TNTs-U)因比表面積大且表面裸露大量羥基在復(fù)合材料加工成型的過程中很容易發(fā)生羥基之間的縮合,在較低含量(0.5wt%)時團聚現(xiàn)象就很明顯;經(jīng)偶聯(lián)劑修飾的二氧化鈦納米管(TNTs-M)表面羥基與修飾劑化學(xué)鍵合,羥基數(shù)量有所減少,在0.5wt%仍發(fā)生團聚,但較TNTs-U團聚現(xiàn)象有所改善。
　　2、對聚甲醛基納米復(fù)合材料力學(xué)性能測試,結(jié)果表明

4、DNS和RNS的加入均能提高POM的強度,但是 DNS和RNS只在低含量時能夠增韌POM,在DNS含量0.5wt%時,韌性提高15%;RNS含量為0.3wt%時,韌性提高16%;隨著DNS和RNS的增加,復(fù)合材料的沖擊韌性降低,同時由于RNS團聚比DNS嚴重,POM/RNS復(fù)合材料的力學(xué)性能隨著 RNS含量的增加下降更為嚴重。TNTs-U因在POM基體中團聚嚴重造成POM力學(xué)性能大幅下降;低含量的TNTs-M有利于POM的拉伸強度和彈性

5、模量低幅度的提高,但是TNTs-M的加入降低了POM的沖擊韌性。修飾后的TiO2納米纖維(TNF-M)對POM的力學(xué)性能的提高明顯優(yōu)于未改性的TiO2納米纖維(TNF-U),TNF-U和TNF-M的加入均對POM的沖擊韌性提高明顯,當(dāng)TNF-M的含量為0.1wt%時,沖擊韌性提高23%,而TNF-U含量為0.3wt%時對沖擊韌性的提高達11%。
　　3、采用XRD、PLM、DSC檢測手段,分析了DNS和RNS對POM基體結(jié)晶的影響

6、,實驗結(jié)果表明DNS和RNS的加入沒有改變POM的晶型,并且DNS和RNS在POM中均能起到異相成核作用,使晶粒得到細化,提高了起始結(jié)晶溫度和結(jié)晶峰溫度。同時DNS和RNS會與POM分子鏈發(fā)生相互作用,降低了分子鏈向晶核移動的速率,使得復(fù)合材料的半結(jié)晶時間t1/2增加。由于 DNS在POM中分散良好,POM/DNS復(fù)合材料的結(jié)晶峰溫度和t1/2變化不大;而在POM/RNS復(fù)合材料中,隨著RNS含量的增加,其團聚現(xiàn)象會加劇,RNS與POM

7、的相互作用會隨著團聚的出現(xiàn)而降低,因此POM/RNS復(fù)合材料的結(jié)晶峰溫度和t1/2隨著RNS的含量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。
　　4、采用TG手段對POM基納米復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性進行測試,發(fā)現(xiàn)納米粒子表面官能團對POM熱穩(wěn)定性有很大影響。RNS能顯著提高POM的熱穩(wěn)定性,在RNS含量為1.0wt%時起始結(jié)晶溫度提高了27℃,主要是因為RNS表面含有氨基,能夠吸收POM在分解過程中產(chǎn)生的甲醛,并且能夠中和甲醛被氧化后形成的甲酸;

8、但是DNS表面含有的甲基對甲醛和甲酸沒有吸收作用,因而 NS對POM的熱穩(wěn)定性幾乎沒有影響。在相同含量下TNTs-M對POM的熱穩(wěn)定效果要優(yōu)于TNTs-U。TNTs-U和TNTs-M因比表面積大,且孔容量較大,能夠吸附 POM分解產(chǎn)生的甲醛,進而起到提高熱分解溫度的作用,并且能夠降低POM的分解速率;但是過多的TNTs會發(fā)生脫水縮合,引起POM在低溫下開始分解,反而降低了POM的熱穩(wěn)定性。因TNTs-M表面羥基數(shù)量少而且有氨基的存在,其

9、含量在2.0wt%時會引起POM起始分解溫度的降低,但是TNTs-U在1.0wt%時則會引起POM的起始分解溫度下降。而TNF由于不能吸收甲醛,因此低含量的TNF對POM的熱穩(wěn)定提高很不明顯,而且高含量的TNF也會發(fā)生脫水縮合,因此降低POM的力學(xué)性能。
　　5、采用氧指數(shù)儀對TNTs和TNF對POM的阻燃性能進行分析,結(jié)果表明TNTs和TNF的加入對POM的氧指數(shù)沒有明顯的變化,但是二者均能夠降低POM的熔融低落現(xiàn)象,并且有成碳