PP/EVA/LDH三元纳米复合材料的结构调控与力学增韧研究

作     者：郭新成 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈晓浪

授予年度：2022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：聚丙烯复合材料 水滑石 相结构 结晶行为 冲击强度 

摘      要：聚丙烯(PP)作为通用塑料之一,由于其优良的耐腐蚀性、加工性以及价格低廉而被大量应用。然而,对于目前性能要求逐渐提高的功能材料来说,PP的缺口敏感性以及不良的低温脆断性导致PP难以单独使用,特别是在低温环境下PP分子链的冻结以及内应力的集中导致了缺陷性裂纹的出现,因此为了提升PP的实用性以扩展应用领域而对其进行力学增韧的研究迫在眉睫。针对上述提出的PP具有低韧性的问题,本论文采用新兴的环境友好型无机材料水滑石(LDH)作为增韧PP复合材料的改性剂。LDH也被称为双金属氢氧化物,其独特的层状结构赋予了LDH优异的多功能性,并大量应用于医药、催化及阻燃等领域。尤其当LDH以填料形式作用于聚合物时,纳米尺寸的LDH会提高聚合物的某些性能。因此,对PP/LDH的研究探索逐渐成为复合材料研究工作中的一大热点。本文首先对PP/乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)/LDH体系的相形态分布、力学性能及结晶行为的变化进行了研究。为进一步提高PP复合材料的冲击性能,加入β成核剂与LDH协同增韧PP/EVA体系,并对复合材料样品进行退火调控从而改善材料的性能。本论文的主要研究结果如下:(1)对PP、EVA及LDH填料采用工艺调控的方式制备了三种加工方式及不同共混时间的三元PP复合材料。润湿系数的理论计算分析表明,LDH优先定位于EVA相,结合扫描电子显微镜(SEM)的断面分析表明,LDH的分散及相分布形态与共混顺序这一动力学参数密切相关,并对可能的相分布机理进行了阐释。冲击强度测试表明:第二种加工方式下II-6-15min复合材料的冲击强度达到最高,比纯PP提高71.5%左右,而仅加入EVA弹性体后的冲击强度比PP提高约46%,可知II-6表现出较为优异的增韧效果。结晶行为表明,LDH的存在提供了更多的结晶成核位点,并在III-6材料中的结晶度达到最高,这表明在加工方式III下PP中的LDH含量更多。(2)为了进一步提高PP/EVA/LDH复合材料的冲击性能,采用β成核剂庚二酸钙(Ca HA)与LDH进行协同增韧,并在Ca HA为0.03 phr和LDH为5.70 phr配比下的6PEL2样品获得了最高的冲击强度,比纯PP提高100%左右。复合材料结晶行为的分析表明,6PEL2中最高的β晶相对含量导致了在冲击断面的SEM图中由于β晶的位错形成大量空穴来吸收冲击能量并导致更粗糙的界面及EVA相的变形拔出现象的出现。(3)针对复合材料因快速冷却而出现较大的内应力问题,采用不同退火温度对其进行结构及性能的调控。复合材料冲击强度表明,在120 C以及6h处理后下得到了增韧效果良好的6PEL2复合材料,相比于未处理的纯PP,冲击强度提高约186%。SEM的测试结果表明,退火后6PEL2断面银纹剪切带的增多及褶皱面的加大导致冲击速度的减慢进而促使EVA相缓慢拉出并强烈变形。复合材料结晶行为的研究表明,6PEL2材料的增韧效果不仅来源于β晶结晶行为的改变,还与α球晶的二次结晶重排及晶粒尺寸的减小有关。