聚乙烯醇-凹凸棒土納米復(fù)合材料的制備、表征及其性能研究.pdf

1、本文以聚乙烯醇(PVA)為聚合物基體，以天然凹凸棒土(簡稱AT)為無機(jī)組分，通過溶液共混的方法制備了PV/AT納米復(fù)合材料。研究了AT的提純、分散及表面改性處理；重點(diǎn)分析了PVA/AT納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，詳細(xì)研究了其溶液流變性能、結(jié)晶動力學(xué)和熱分解行為；并用濕法紡絲法進(jìn)行了PVA/AT復(fù)合纖維的自制及中試化試驗(yàn)，對產(chǎn)品進(jìn)行了較為詳細(xì)的表征與分析。
　　 利用懸浮-沉淀法對商品AT進(jìn)行了進(jìn)一步的提純；以超聲波法對AT進(jìn)

2、行了分散處理；采用五種不同的改性劑對AT進(jìn)行表面改性得到有機(jī)化AT。利用紅外(FTIR)測試、X射線衍射分析(XRD)、動態(tài)接觸角測試(DCAT)方法對有機(jī)化處理前后的AT進(jìn)行表征，通過掃描電鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、透射電鏡(TEM)測試觀察AT的分散情況。結(jié)果表明，提純后的AT雜質(zhì)去除情況良好、產(chǎn)品顏色變淺；超聲分散處理能打散AT的硬團(tuán)聚，得到長度集中在550～750nm范圍、直徑集中在40～50nm的納米棒狀A(yù)T，但過

3、長時間超聲處理反而會導(dǎo)致AT的團(tuán)聚，甚至打斷AT，使長徑比變??；由于本身結(jié)晶存在缺陷及其它原因，AT具有較高的表面活性，具有Si-OH或Al-OH基團(tuán)；改性處理并不能改變AT的晶體結(jié)構(gòu)，改性劑無法進(jìn)入AT的晶層，只是附著在AT表面；除了個別情況外，不同有機(jī)改性處理均能提高AT的親有機(jī)性。
　　 通過對PVA/AT納米復(fù)合材料進(jìn)行形貌與結(jié)構(gòu)表征，發(fā)現(xiàn)AT在PVA基體中分散較為均勻，與PVA的界面結(jié)合緊密，過量AT的加入會導(dǎo)致部分A

4、T的團(tuán)聚；AT的加入不改變PVA的晶型，但使其結(jié)晶度稍有增加。性能測試結(jié)果表明，加入不同含量純AT的PVA復(fù)合材料的力學(xué)性能提高很明顯，拉伸強(qiáng)度最大提高了58％左右，模量提高超過了一倍；動態(tài)儲能模量提高幅度較大；熱分解溫度也明顯提高。不同表面改性的AT對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響有所不同，其中γ-巰基丙基三甲氧基硅烷改性的AT對PVA力學(xué)性能提高最大，其次則是純AT。根據(jù)這些結(jié)果對AT的改性機(jī)理進(jìn)行了探討，認(rèn)為由于AT存在具有較高活性的反應(yīng)

5、點(diǎn)(如羥基)，能與PVA之間形成較強(qiáng)的氫鍵作用，兩者之間結(jié)合緊密，使AT能有效地分擔(dān)PVA基體傳遞過來的載荷，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。而有機(jī)改性的AT雖然由于具有親有機(jī)性，但如果親有機(jī)端沒有帶能與PVA發(fā)生鍵合作用的極性官能團(tuán)，反而可能會由于屏蔽了AT的部分活性點(diǎn)而降低增強(qiáng)效果。
　　 對復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)晶動力學(xué)研究表明，復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶行為可用修正Avrami方程來描述，發(fā)現(xiàn)一定AT加量的復(fù)合材料的結(jié)晶度、半結(jié)晶周期及結(jié)

6、晶速率常數(shù)均比純PVA的要高，說明一定加量的AT能作為體系的成核劑，并且能影響PVA晶體的生長過程。
　　 從復(fù)合材料的熱分解曲線可知復(fù)合材料的熱分解初始溫度向高溫移動，最大熱失重速率對應(yīng)的溫度也移向高溫，AT的加入能明顯提高復(fù)合材料的耐熱性。采用減差微分法對復(fù)合材料進(jìn)行熱分解動力學(xué)研究結(jié)果表明，復(fù)合材料的熱分解活化能增大，進(jìn)一步證明AT能提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。
　　 共混溶液流變性能的研究結(jié)果表明PVA溶液的流變性能

7、明顯受AT納米棒加入的影響。AT能有效地防止由于PVA分子內(nèi)或分子間氫鍵作用所導(dǎo)致的纏結(jié)，進(jìn)而有助于PVA分子鏈的延伸，最終對纖維材料力學(xué)性能的提高有幫助。
　　 采用傳統(tǒng)的濕法紡絲方法成功地制備出PVA/AT復(fù)合纖維，發(fā)現(xiàn)AT的加入無論是在小試實(shí)驗(yàn)過程中還是在中試試驗(yàn)中都對整個紡絲工藝無不良影響，PVA/AT復(fù)合纖維拉伸纖的力學(xué)性能比純PVA拉伸纖的綜合力學(xué)性能要好，在延伸率基本一致的情況下強(qiáng)度有20％以上提高的同時模量大幅度