文档介绍：河南大学
硕士学位论文
原位聚合表面修饰纳米SiO2/尼龙6杂化材料的制备与性能研究
姓名:陈方飞
申请学位级别:硕士
专业:材料加工工程
指导教师:李小红
2011-06
摘要
选用带有不同表面官能团的纳米 SiO2,利用原位聚合的方法制备了几种性能优良的
纳米 SiO2/尼龙 6(PA6)杂化材料,分析了其机械性能、热性能和熔融结晶行为;考察
了纳米 SiO2 表面修饰基团的种类和组成以及纳米 SiO2 的加入方式对杂化材料性能的影
响,发现不同表面修饰纳米 SiO2 与 PA6 基体间形成不同界面结构,从而造成杂化材料
性能出现明显差异。主要研究内容和结果如下:
1、在聚合反应初期加入纳米 SiO2,表面含饱和有机碳链的纳米 SiO2(DNS-2 和
DNS-3)和表面含氨基官能团的纳米 SiO2(RNS-A)均能在 PA6 基体中良好分散,且
均能在纳米 SiO2 较低添加量的情况下(≤1wt%)有效地改善 PA6 的综合性能。TGA
和 FT-IR 等分析表明,DNS-2 和 DNS-3 与 PA6 基体之间以氢键和物理方式结合,而
RNS-A 与基体 PA6 之间以氢键和化学键方式结合,并且 RNS-A 粒子和尼龙分子链在杂
化材料体系中形成局部三维网络结构。
2、DNS-2、DNS-3 和 RNS-A 都能够增强增韧 PA6,但三者的增强增韧效果有所不
同。RNS-A 能显著提高 PA6 的缺口冲击强度和拉伸强度,这是由于其在杂化体系中形
成三维网络结构所致;当其含量为 %时,杂化材料的缺口冲击强度和拉伸强度达
到最大,分别比纯 PA6 的提高 %和 %。DNS-3 能够大幅度地提高 PA6 的拉伸
强度;当其含量分别为 %和 %时,杂化材料的缺口冲击强度和拉伸强度达到
最大,分别比纯 PA6 的提高 %和 %。DNS-2 能在不影响 PA6 缺口冲击强度的
前提下适度提高其拉伸强度;当其含量为 %时,杂化材料的缺口冲击强度和拉伸
强度达到最大,分别比纯 PA6 的提高 %和 %。
3、DNS-2 和 DNS-3 型纳米 SiO2 对 PA6 的热稳定性影响不大,而 RNS-A 由于能够
和 PA6 分子链在体系中形成三维网络结构,从而显著限制了 PA6 分子链的运动,并且
大量界面化学键的破坏需要消耗更多的能量,从而有利于材料热稳定性的提高。RNS-A
含量为 %的杂化材料的热分解温度比纯 PA6 的高 10 ℃。
4、DNS-2、DNS-3 和 RNS-A 的加入对杂化材料的熔融峰温影响不大,但都使杂化
材料的熔融曲线上出现低温熔融小肩峰;与此同时,DNS-2、DNS-3 和 RNS-A 的加入
均能起到异相成核剂的作用,有利于提高 PA6 的结晶速率、结晶峰温和结晶度。但 RNS-A
V
与 PA6 基体的强界面作用使得 PA6 分子链的运动受到明显限制,对应杂化材料的结晶
峰温和结晶度呈现先增后降的趋势。
5、在聚合反应初期加入纳米 SiO2,通过调节纳米 SiO2 表面饱和有机碳链与氨基官
能团的比例发现,随着纳米 SiO2 表面氨基数量的减少,杂化材料中纳米粒子表面接枝
的尼龙量也逐渐减少。其原因可能在于,随着纳米 SiO2 表面氨基数量的减少,参与尼
龙聚合反应的氨基数量也相应减少。另外,随着纳米 SiO2 表面氨基数量的减少,对应
杂化材料的力学性能逐渐下降,杂化材料的熔融峰温、结晶峰温和结晶速率均呈现出下
降的趋势。
6、在聚合反应不同时期加入 RNS-A,对比 RNS-A 与 PA6 基体的界面作用及其对
杂化材料的力学性能、熔融结晶行为的影响,发现 RNS-A 加入时间推迟后,纳米粒子
表面接枝的尼龙量增多。其原因可能在于,在聚合反应后期尼龙分子链充分增长,与
RNS-A 接枝的尼龙链长度增加。与此同时,较长的尼龙分子链有利于扩大杂化体系中三
维网络结构的网格,从而造成杂化材料性能的差异。当聚合反应进行 4 h 后再加入 RNS-A
时,对 PA6 力学性能的改善效果最佳;纳米粒子添加量为 %时杂化材料的缺口冲
击强度和拉伸强度同时达到最大,分别比纯 PA6 的提高 %和 %。随着 RNS-A
加入时间的推后,杂化材料的熔融峰温变化不大,熔融小肩峰消失,结晶峰温降低,结
晶速率变小,但结晶度与纯 PA6 的相当或者较高。
关键词:表面修饰纳米 SiO2,尼龙 6,杂化材料,原位聚合,制备,性能