碳纳米管改性PLLA/EVA不相容共混物的力学性能及其增韧机理研究

作     者：王雄飞 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王勇

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：碳纳米管 聚乳酸 聚乙烯-醋酸乙烯酯 微观形貌 相互作用 增韧机理 

摘      要：众所周知,聚合物共混是当今开发新材料的重要途径。但是大部分聚合物均不相容,仅仅将两种或多种聚合物简单地混合到一起仍难以满足工业需求。近年来,人们将纳米粒子引入到二元不相容共混物中,发现纳米粒子不仅在不相容共混物中存在选择性分布行为,还会诱导不相容共混物的微观形貌发生演变,进而影响材料最终的宏观力学性能。常用的纳米粒子有二氧化硅(Silicone dioxide, SiO2)、炭黑(Carbon black,CB)、蒙脱土(Montmorillonite, MMT)和碳纳米管(Carbon nanotubes, CNTs)等,而CNTs与其他纳米粒子相比,具有长径比大、迁移速率高和“自网络能力强等特点。研究表明,将CNTs引入到某些共混体系中能够显著提高材料的冲击韧性,实现同时增强增韧。但对于大部分的不相容共混体系而言,将CNTs加入其中并不能获得很好的冲击性能,这在一定程度上限制了CNTs的应用。为了拓展CNTs在改性不相容共混物中的应用,本论文旨在深入探讨CNTs的增韧机理,首先通过传统的熔融共混方法将CNTs引入到具有海岛结构的聚乳酸(Poly(L-lactide), PLLA)/聚乙烯-醋酸乙烯酯(Poly(ethylene-co-vinyl acetate), EVA)不相容共混物中,系统研究了材料的力学性能与微观结构及两相相互作用之间的关系。并通过改变VA含量来调控PLLA与EVA之间的相互作用,探索了CNTs增韧二元不相容共混体系的先决条件,为CNTs在结构复合材料领域的应用提供技术指导。此外,通过进一步引入反应助剂,成功制备了超韧高分子材料,阐述了化学-物理双网络结构的协同增韧机理。通过分析研究,主要得到了如下成果：(1)通过熔融共混法将CNTs引入到具有海岛结构的PLLA/EVA二元不相容共混物中,研究发现CNTs不仅能够诱导EVA分散相的粒径变大,还由于其界面分布状态以及形成的物理网络结构而显著增强了PLLA和EVA两相之间的相互作用,这使得复合材料的缺口冲击强度随CNTs含量的增加获得大幅提升。此外,结合Wu’s理论可知,CNTs诱导的微观形貌变化并不利于冲击性能的提高,这消除了微观形貌变化这一因素对冲击性能造成的影响,进一步验证了CNTs的物理网络结构可作为应力传递的媒介从而避免材料内部产生局部应力集中导致失效的增韧机理。(2)通过调控VA含量制备了一系列具有海岛结构的PLLA/EVA/CNTs共混复合材料,研究发现在较低VA含量(≤40 wt%)时CNTs对该体系的冲击韧性呈现负面影响,而在较高VA含量(≥50 wt%)时呈现正面影响。进一步分析表明,CNTs分布所在的EVA相的结晶行为、PLLA与EVA两相之间的模量比以及两相之间的相互作用是影响CNTs能否表现出增韧作用的主要因素,这三点是CNTs增韧不相容共混物的先决条件。(3)通过熔融共混法同时将过氧化二异丙苯(Dicumyl peroxide, DCP) 和 CNTs引入到PLLA/EVA二元不相容共混物中,研究发现DCP和CNTs对PLLA/EVA二元不相容共混物具有协同增韧作用。进一步分析表明,DCP和CNTs可以在材料内部构筑化学-物理双网络结构,一方面增强了PLLA和EVA两相之间的相互作用,另一方面促进了EVA分散相的均匀细化,有效降低材料的基体韧带层厚度,从而在材料受到冲击外力作用时,EVA粒子周围形成的应力场相互迭加起来,在材料内部产生应力逾渗通道,进而促进基体发生剪切屈服,达到协同增韧的效果,成功制备了超韧高分子材料。