碳化硅微米线、石墨烯在聚碳酸亚丙酯中的分散结构及其复合材料

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在提高聚碳酸亚丙酯[Poly(propylene carbonate),PPC]的力学和耐热性能的同时,赋予其功能性是拓展PPC应用领域的重要研究方向。填充功能性填料是高分子材料改性的有效方法,然而PPC-填料间的弱界面相互作用导致填料团聚,其功能性难以充分发挥。围绕上述问题,本论文以碳化硅微米线(SiC)和石墨烯为研究对象,通过拉伸诱导取向、构建隔离结构(segregated structure)和杂化体系,优化了PPC-填料的分散结构,着重研究了PPC复合材料的力学、耐热性能和导热功能,主要研究工作如下:(1)通过拉伸诱导取向、叠层热压工艺制备了均匀分散、结构有序的PPC/SiC复合材料(PPC/SiC-a)。研究了拉伸率与SiC的分散性、取向度之间的关系,探讨了SiC的分散结构对其复合材料的力学、耐热、导热性能的影响。结果表明:当拉伸率为200%时,SiC在PPC基体中高度取向,分散性也得到有效改善。当填充量为15 wt%时,PPC/SiC-a复合材料的拉伸强度和模量分别比PPC提高了112.1%和456.2%。由于取向结构减小了复合材料的自由体积,限制了PPC链段的运动,在相同填充量时,PPC/SiC-a复合材料的Tg略高于结构无序的PPC/SiC复合材料(PPC/SiC-r)。当填充量为5 wt%时,PPC/SiC-a复合材料的Tg提高至33.7℃,比PPC提高了33.2%。同时,取向的SiC沿其长轴方向构建了连续的导热网络,使PPC/SiC-a复合材料的导热逾渗阈值和界面热阻分别比PPC/SiC-r复合材料降低了5 wt%和50%,填充50 wt%的SiC使PPC/SiC-a复合材料的导热系数提升至1.22 W/m K,比PPC提高了454.5%。该拉伸取向工艺高效、节能,也可以应用于表面惰性的一维、二维材料填充高分子复合材料。(2)通过乳液法、原位还原和热压成型工艺制备了具有隔离结构的PPC/还原氧化石墨烯(RGO)复合材料(PPC/RGO-s),有效地改善了RGO的分散性。研究PPC/RGO的分散结构与其复合材料力学、耐热、导热、导电性能之间的关系。结果表明:刚性的RGO在PPC基体中形成了连续、有序的三维网络,有效地提高了PPC/RGO-s复合材料的力学性能。当RGO含量为10 wt%时,PPC/RGO-s复合材料的拉伸强度和模量分别比PPC提高了51.6%和100%。RGO网络有效地限制了PPC链段的运动,因而PPC/RGO-s复合材料的耐热性明显优于结构无序的PPC/RGO复合材料(PPC/RGO-r)。当RGO含量为5 wt%时,PPC/RGO-s复合材料的Tg比PPC和PPC/RGO-r复合材料分别提高了11.6℃和2.4℃。同时,RGO网络也降低了PPC/RGO-s复合材料的导热和导电的逾渗阈值,实现了导热、导电性能的大幅提升。当RGO含量为30 wt%时,PPC/RGO-s复合材料的导热系数和电导率分别提升至0.35 W/m K和33.4 S/m。同时,RGO网络赋予PPC/RGO-s复合材料电磁屏蔽和抗紫外照射性能,延长了PPC复合材料的服役寿命。(3)通过将氧化石墨烯(GO)、SiC杂化处理制备了均匀分散的PPC/SiC-GO复合材料。研究了SiC和GO杂化质量比x对SiC分散状态的影响,探讨了SiC-GO杂化填料的分散结构与PPC复合材料力学、耐热、导热性能之间的关系。研究发现:羟基化SiC与GO之间存在氢键作用,当SiC与GO杂化质量比x≤1时,SiC-x GO杂化物形成了以SiC为轴、GO为包覆层的卷轴结构。SiC-GO杂化物在水中能够稳定分散,在PPC基体中可均匀分散。SiC-GO杂化结构与PPC之间产生良好的界面相互作用,其复合材料在导热、力学、耐热、阻隔和形状记忆等性能方面具有优势。在0.1-3 wt%填充量范围内,PPC/SiC-GO复合材料的Tg均高于PPC/SiC复合材料,特别是当填充量为0.5 wt%时,PPC/SiC-GO复合材料的Tg提升至34.6℃,比PPC提高了36.2%。同时,填充0.1 wt%的SiC-GO杂化物,实现了对PPC基体的协同增强、增韧。
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