碳納米管改性不相容共混物HDPE-PA6的研究.pdf

1、高密度聚乙烯(High density polyethylene，HDPE)因其優(yōu)良的韌性和防水性在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是較低的強度和不防油的特點限制了它的使用范圍。將尼龍6(Polyamide6，PA6)與HDPE共混既可以改善共混物的防油性能，也可以利用PA6的高強度提升共混物的強度。由于HDPE和PA6的分子鏈結(jié)構(gòu)差別極大，因而兩者的相容性較差，共混物表現(xiàn)出典型的兩相結(jié)構(gòu)以及較差的力學性能。得益于其超高的模量、強度和長

2、徑比，碳納米管(Carbon nanotubes，CNTs)不僅可以起到增強的效果，還能夠通過橋接裂紋的方式阻止裂紋的引發(fā)和擴展，從而明顯地增韌材料?；诖耍菊撐囊訦DPE和PA6的不相容共混物作為研究對象，利用碳納米管作為改性填料，通過碳納米管的官能化改性，選擇性地控制碳納米管在共混物中的分散位置和分散狀態(tài)，從而獲得了具有良好韌性、強度的納米復(fù)合材料；并在此基礎(chǔ)上進一步研究共混工藝、碳納米管含量、界面張力等參數(shù)對碳納米管復(fù)合材料的微

3、觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響。主要研究成果如下：
　　 1)利用HDPE為非極性聚合物而PA6為強極性聚合物，以及碳納米管與極性相近的聚合物具有更大親和力的特性，同時兼顧PA6分子鏈端的氨基能與羧基反應(yīng)的特點，本次實驗通過硝酸高溫加熱的方式，將碳納米管表面的五元、七元環(huán)氧化為具有較大極性的羧基，成功制得了改性多壁碳納米管(Functionalized multiwalledcarbon nanotubes，F(xiàn)MWCNTs)，以期通過控

4、制碳納米管極性的方式以及加工工藝的選擇實現(xiàn)碳納米管在共混物中不同位置的選擇性分布。
　　 2)采用不同的FMWCNTs加工工藝成功實現(xiàn)了FMWCNTs在HDPE/PA6不相容共混物中不同位置的選擇性分散，并且對復(fù)合材料的力學性能產(chǎn)生了不同的影響。通過熱力學計算可以發(fā)現(xiàn)FMWCNTs與PA6相的親和力更好。所以，當使用FMWCNTs/PA6作為母料時，所有FWMCNTs都分布于PA6相當中；當使用FMWCNTs/HDPE作為母料時

5、，F(xiàn)WMCNTS會向PA6相遷移以求達到熱力學意義上穩(wěn)定狀態(tài)。但由于粘度、共混時間等因素的影響，只有一部分FMWCNTs能夠遷移到PA6相當中，其余的FMWCNTS則橋接于兩相界面。由于橋接于兩相界面的FMWCNTS可以抑制裂紋在界面的引發(fā)和擴展，所以使用FMWCNTS/HDPE作為母料的復(fù)合材料能夠在更大的斷裂伸長率下發(fā)生斷裂。同時，橋接于兩相界面的FMWCNTs可以阻止PA6分散相在共混過程中相互碰撞時發(fā)生的積聚，從而達到減小PA6

6、分散相體積的效果，使得PA6分散相周圍的應(yīng)力場更容易發(fā)生疊加形成逾滲通道，進一步增加復(fù)合材料的韌性。
　　 3)通過同時引入增容劑馬來酸酐接枝高密度聚乙烯(Maleic anhydride grafted highdensity polyethylene，HDPE-MA)和FMWCNTs，進一步調(diào)控FMWCNTs在兩相間的分散以及分散相形態(tài)，實現(xiàn)了HDPE-MA和FMWCNTs協(xié)同增強增韌HDPE/PA6的作用。研究表明，不同的

7、FMWCNTs加入順序能夠?qū)DPE/HDPE-MA/PA6三元共混物的力學性能造成不同的影響。當使用FMWCNTs/HDPE/HDPE-MA作為母料時，復(fù)合材料表現(xiàn)出最好的韌性。因為在母料的配制過程中HDPE-MA能首先和FWMCNTs作用，從而在FMWCNTs的表面接枝上HDPE的分子鏈，減弱FMWCNTs向PA6相遷移的趨勢，使得更多的FWMCNTs分布在兩相界面增加復(fù)合材料的界面結(jié)合力。同時，更多的FMWCNTs在界面的分布也更

8、加有效地減小了共混物中PA6粒子的體積，進一步增加了復(fù)合材料的韌性。當使用FMWCNTs/PA6作為母料時，F(xiàn)MWCNTs全部分散在PA6顆粒當中并形成致密的FMWCNTs剛性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而顯著地改善PA6粒子的強度。同時，由于HDPE-MA的加入可以保證PA6粒子與基體材料間應(yīng)力的有效傳遞，所以復(fù)合材料的整體強度能夠隨FMWCNTs網(wǎng)絡(luò)在PA6粒子中的建立而明顯增加。
　　 4)向HDPE/PA6(50/50)中加入不同含量的

9、FMWCNTs可以誘發(fā)復(fù)合材料發(fā)生相反轉(zhuǎn)。對HDPE/PA6二元共混物來說，由于HDPE的粘度大大高于PA6的粘度，所以HDPE作為分散相分布于PA6基體當中。向共混物中加入少量FWMCNTs(<2 wt％)時，F(xiàn)MWCNTs均勻地分散于PA6連續(xù)相當中，復(fù)合材料依然保持與二元共混物相似的海島形態(tài)。隨著FMWCNTs含量的進一步增加，復(fù)合材料中的HDPE相逐漸變?yōu)檫B續(xù)相，并在FMWCNTs含量達到5wt％時表現(xiàn)出完全的雙連續(xù)形態(tài)。通過測

10、試復(fù)合材料的流變和結(jié)晶性能，發(fā)現(xiàn)FMWCNTs能夠在含量大于2wt％時以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方式存在。同時，由于FMWCNTs表面的羧基不僅能夠和PA6分子鏈末端的氨基發(fā)生反應(yīng)，還可以與PA6之間形成氫鍵，大大增強FMWCNTs與PA6間的相互作用，所以FMWCNTs網(wǎng)絡(luò)能夠誘導(dǎo)PA6分布于其周圍形成連續(xù)相并最終誘導(dǎo)復(fù)合材料呈現(xiàn)出雙連續(xù)形態(tài)。當FMWCNTs增加為10 wt％時，F(xiàn)MWCNTs不再以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形式存在，而是以球形團聚體的形式存在，