聚合物/棒状纳米粒子复合材料的制备与性能研究

作     者：安力 

作者单位：复旦大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卢红斌

授予年度：2007年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：聚酰亚胺 聚甲基丙烯酸甲酯 凹凸棒 纳米复合材料 表面改性 力学性能 玻璃化转变 

摘      要：本文以一种天然棒状纳米粒子—凹凸棒(attapulgite)为无机组分,分别通过溶液方法、熔融共混的方法制备了聚酰亚胺/凹凸棒纳米复合材料、聚甲基丙烯酸甲酯/凹凸棒纳米复合材料。发展了两种用于凹凸棒表面改性处理的新方法,对改性前后的凹凸棒进行了详细表征。综合测试了聚酰亚胺/凹凸棒纳米复合材料以及聚甲基丙烯酸甲酯/凹凸棒纳米复合材料的结构形态、力学性质和热学性质,并初步讨论了复合材料结构与性能之间的关系。 首先利用聚脲化学对凹凸棒进行表面改性。利于4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯将凹凸棒表面的羟基转化为异氰酸酯基后,再通过聚脲化学反应将两种不同的芳香族二胺(ODA和MDA)接枝到凹凸棒表面。利于FTIR、XRD、TGA等对凹凸棒的提纯、有机化处理进行了表征,并首次研究了表面处理前后凹凸棒在有机溶剂中的胶体稳定性,通过SEM、TEM等观察了凹凸棒土的分散情况。结果表明,表面处理后的凹凸棒保留了纳米棒状形态,在有机溶剂中更易分散,胶体稳定性显著提高。 ODA修饰的凹凸棒表面分子拥有与聚酰亚胺的单体相同的结构,且能与聚酰胺酸链端的羧基发生反应,因而被用来制备共价键合的聚酰亚胺/凹凸棒纳米复合材料。SEM和TEM的结果显示在较低含量时凹凸棒在聚酰亚胺基体中分散得非常均匀,有机-无机两相间没有明显的相分离。拉伸测试显示复合材料的拉伸模量随着凹凸棒含量的增大而提高,15wt%凹凸棒含量时的拉伸模量相对纯聚酰亚胺材料提高了70%。复合材料的拉伸强度和断裂伸长率则随凹凸棒含量的增大先增大后降低。动态力学分析显示复合材料的储能模量依次增大,玻璃化转变温度向高温方向移动。同时,复合材料的热分解温度也有较大提高。 其次我们利用环氧与硅醇之间的反应用烯丙基缩水甘油醚(AGE)对凹凸棒表面进行改性,使AGE-g-ATT的表面带有可聚合的双键,继而引发AGE-g-ATT与MMA的共聚合反应,得到有机化的凹凸棒土(OATT)。利用FTIR、XPS、TGA等方法对有机处理前后的凹凸棒进行表征。由于表面接枝有聚合物链,有机化凹凸棒在有机溶剂中的悬浮稳定性明显提高,TEM的结果也说明有机化凹凸棒在有机溶剂中分散更加均匀。我们采用熔融共混的方法制备了PMMA/OATT纳米复合材料。通过对PMMA/OATT复合材料进行结构与性能的表征,发现凹凸棒在PMMA基体中分散较均匀。复合材料的动态储能模量随OATT的加入略有升高,且T向高温方向移动。拉伸测试的结果显示复合材料的断裂强度和伸长率略有降低,但初始模量有较大提高。流变结果显示复合材料的存储模量和损耗模量均略高于纯PMMA,且有较高的复数粘度。但OATT的加入并没有让复合材料表现出典型的类固体行为,这可能是因为PMMA较差的流动性限制了棒状颗粒网络结构的形成。此外,材料的热分解温度也有明显提高。 最后,我们通过溶液涂膜的方法制备了MDA修饰的ATT和SMA树脂的复合材料,并对材料进行了初步表征。结果显示复合材料的储能模量在15wt%ATT含量时提高了一倍,但玻璃化转变温度的变化与酰亚胺化过程有密切关系。