磺化超支化聚芳醚酮改性碳酸钙晶须/聚醚醚酮复合材料的制备及其性能研究

作     者：于洪阳 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨延华

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：聚醚醚酮 碳酸钙晶须 磺化超支化聚芳醚酮 流变性能 复合材料 

摘      要：聚醚醚酮是一种具有出色的机械性能,电学性能,良好的热稳定性和耐腐蚀性的高性能聚合物,广泛应用在国防军工和民用制造等领域。随着聚醚醚酮的应用越来越广泛,人们也发现了树脂作为材料固有的缺陷,首先过高的成本在一定程度上限制了它的大规模应用,工程塑料的价格一般是通用塑料的几十倍之多。其次聚醚醚酮固然综合性能优异,但功能性不强,并不能适用于对某一性能有着较高要求的特定领域。于是人们开始将填料加入树脂中以获得更好的性能,如石墨添加的复合材料摩擦性能会更好,稀土元素能够增强聚醚醚酮的射线屏蔽性能,而碳纤,晶须一类的无机填料能使复合材料的力学性能得到增强。晶须是一种高度取向的微米级纤维,具有较高的强度和模量,而且价格低廉,是复合材料的理想增强体。对于复合材料的制备和加工同时面临着下面几个问题:无机填料与聚合物基体从化学组成、结构到物化性质都有很大不同,如何使其更好的分散在基体中,并且使两相有较好界面粘接强度。另外对于材料而言,熔体粘度是一个非常重要的衡量加工难易程度的指标。聚醚醚酮通常在340°C开始熔融,而到了370°C才能够拥有较好的流动性,无机填料的加入势必会使熔体粘度增加,而导致加工温度进一步提高。尽管提高了加工温度,复合材料的熔体粘度仍维持在一个较高的水平值,这不仅会阻碍正常的生产,降低效率,而且还会缩短加工设备的使用寿命。添加能够降低熔体粘度的加工助剂是解决该问题的途径之一。磺化超支化聚合物拥有高度支化的三维结构,能够降低分子链的缠结,提高分子链的运动能力,从而降低熔体粘度,改善材料在加工时的流变性能。超支化聚合物还兼具生产成本低,制备工艺简单和易于工业化等优点,可以作为聚醚醚酮复合材料的粘度调节剂使用。同时它带有的磺酸基能够与碳酸钙晶须发生相互反应,所以不仅能够增加晶须与树脂基体间的相互作用,还能有效地降低复合加工过程中体系的粘度,提高晶须的分散性。基于以上考虑,我们设计合成了一种含有磺酸基团的超支化聚芳醚酮SHPAEK来湿法改性处理碳酸钙晶须,FTIR,EDS等测试表明改性剂中的磺酸基与碳酸钙晶须发生了某种程度的化学反应,实现了对晶须表面的改性。将改性碳酸钙晶须与PEEK树脂进行熔融共混,制备碳酸钙晶须/聚醚醚酮复合材料。首先,我们对复合材料的力学性能进行分析,结果表明加入碳酸钙晶须使复合材料的力学性能得到了提高。与未改性的相比,超支化改性剂处理过的复合材料的杨氏模量、弯曲模量和韧性都有所提高,说明改性剂的加入,改善了晶须与树脂基体的粘附性,增强了两相间的界面相互作用。然后我们对复合材料的流变性能进行研究,与纯聚醚醚酮相比,添加未改性碳酸钙晶须的复合材料熔体粘度明显地升高,在相同的改性剂和填料含量下,含有改性剂SHPAEK的复合材料在熔体粘度上出现了预期的下降,这是由于改性剂的超支化结构为聚合物基体分子链提供了有效的解缠结,有效地降低了复合材料在加工温度区间的熔体粘度,更有利于碳酸钙晶须的均匀分散。最后,我们对复合材料的结晶性能进行分析,结果表明晶须的引入在一定程度上限制了聚合物分子链的运动,使结晶速率变慢。加入超支化结构的复合材料比未加的结晶速率有所提高,说明其能有效地减少聚合物分子链的缠结,促进聚合物分子链的运动,基体和改性晶须间的界面更有利于聚合物的分子链的生长,Tc和Xc较未改性晶须的复合材料略有提高。综上所述,熔融共混法制得的碳酸钙晶须/聚醚醚酮复合材料是一种力学性能优异,热稳定性良好,而且质轻,价廉的高性能复合材料。磺化超支化聚芳醚酮提高了填料在基体中的分散性,增强了两相间的相互作用,降低了复合材料在加工温度区间的熔体粘度,符合之前对于这种新型改性剂的预期。