论文部分内容阅读
纳米Si O2在改善聚合物材料热、机、光、电等性能方面已取得显著的功效。理论上,少量纳米Si O2的加入即可大幅提升聚合物的各种物理性能,但纳米粒子在聚合物基体中的团聚行为和其与聚合物基体之间的界面不相容导致物理性能的实际值远低于理论值。传统的解决方法,如纳米粒子表面改性,因过程复杂、成本高昂而不适合规模化生产。鉴于此,本文旨在探索适合批量化改性纳米Si O2的方法以及其对聚合物力学性能和热稳定性的影响。本文首先从传统纳米粒子改性方法出发,利用硅烷偶联剂批量改性纳米Si O2,通过熔融共混和注塑成型法制备聚碳酸酯(PC)/Si O2复合材料。进一步结合傅里叶红外光谱仪、热重分析仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、拉伸和冲击测试等表征手段,就Si O2的改性效果以及纳米粒子对PC的界面和力学性能的影响进行细致研究。结果表明:(1)硅烷偶联剂(KH560)成功接枝到纳米Si O2表面,硅烷化改性有效提高了Si O2在PC基体中的分散性和粒子与基体之间的界面性能;(2)低含量硅烷化Si O2可同时提高复合材料的拉伸强度和韧性,但高含量条件下,团聚效应导致复合材料的拉伸强度和韧性急剧下降;纳米Si O2的引入导致复合材料的冲击韧性急剧下降,且出现明显的韧-脆转变;(3)因纳米Si O2对聚合物分子链的固定作用,特别是硅烷化改性后纳米粒子表面小分子分子链与聚合物分子链之间的物理缠结,复合材料在玻璃态时的储能模量相对于纯PC显著提升;但纳米粒子对PC的玻璃化转变温度影响较小。而后,利用热重与差示扫描量热连用分析仪、热重与红外连用热分析、扫描电子显微镜、X射线光电子衍射分析、傅里叶红外分析等表征手段和Flynn-Wall-Ozawa与Kissinger-Akahira-Sunos法,着重探索了纳米Si O2对PC热降解机制和动力学的影响。结果显示,纳米Si O2能够显著提高PC材料的热稳定性,硅烷化改性有助于提高在低含量下复合材料的热稳定性;纳米粒子主要通过三个方面影响PC材料的热降解行为:(1)降解初期,纳米Si O2能够捕获异亚丙基裂解产生的自由基并限制其移动,延迟热降解反应,提高起始热降解温度;(2)主降解阶段,Si O2表面的硅羟基能够促进碳酸酯键的醇解反应,提升热降解速率;(3)降解中后期,纳米Si O2粒子迁移至表面,与固态残留物连接形成保护隔层,阻碍挥发物扩散并增加残留物量;动力学研究表明纳米Si O2能够大幅提高PC热降解活化能。最后从聚合物加工角度出发,探索了一条通过反应熔融混合过程共价接枝PC分子链改性纳米Si O2的方法,Si O2表面硅羟基与PC分子链之间的酯转移反应以及硅羟基与降解分子链末端羟基的缩合反应被认为是聚合物和Si O2之间的共价键接的主要形成机制。进一步,验证了该法改性的Si O2对聚合物的增强作用,结果发现,因表面接枝的PC分子链与PC基体之间优秀的相容性,少量功能化Si O2的加入大幅提高复合材料的拉伸强度和韧性以及玻璃态储能模量。