纳米复合材料的制备开题报告 精品

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毕业论文开题报告

学 生 姓 名： 王舒瑶 学 院、系： 专 业： 论 文 题 目：

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2012年 02 月 23 日

学 号： **********

材料科学与工程学院材料科学系

高分子材料与工程专业 聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料的制备

与性能研究 ***

毕 业 论 文 开 题 报 告

1．结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述： 文 献 综 述 1.1概述 聚丙烯(PP)具有来源丰富、价格便宜、容易加工、力学性能好、密度小等优点，此外，聚丙烯还有一些优点是值得一提的:①聚丙烯的表面硬度和刚度都比较好，并有良好的表面光泽，这些性能都随聚丙烯等规度和熔体流动速率的增加而提高；②聚丙烯具有优异的抗弯曲疲劳性，电性能和蠕变性能；③聚丙烯具有优异的化学稳定性，而且结晶度越高，化学稳定性越好。与其它塑料相比，具有较好的综合性能，故而是一种综合性能较好的通用塑料，被广泛应用于汽车、化工、建筑、包装、电气等行业。 随着这些领域的发展，对聚丙烯的需求也越来越大，但是聚丙烯以下不足之处限制了它的应用范围:①分子链节上的侧甲基降低了链柔韧性，球晶颗粒较大，使得其脆化温度高，耐冲击性能差，高温刚性不足；②它是一种非极性聚合物，其染色性、粘结性、抗静电性以及与无机填料的相容性都较差；③加工成型收缩率大，其制品的尺寸稳定性较低；④耐老化降解性能差。为此，从70年代中期起国内外对PP进行了大量的改性研究，特别是针对提高PP的缺口冲击强度。如何利用其优点，克服其缺点，改善聚丙烯的性能，对于拓展其应用领域、增加其使用价值有着非常重要的现实意义。 1.2国内外的研究现状和发展趋势 材料的韧性是一个非常重要的力学指标，它直接影响到材料的各种应用。聚丙烯由于具有成本低、密度小、强度高等优点而得到广泛的应用，并依靠其低成本而有代替部分工程塑料的趋势，但是聚丙烯的韧性尤其是低温韧性较差，使其部分应用受到限制。因此提高聚丙烯的韧性一直是聚丙烯改性研究的热点。通过不懈的努力，人们已经找到了多种增韧聚丙烯的方法，其中一些已经在工业上取得了广泛的应用。 聚丙烯的改性可分为化学改性和物理改性。化学改性主要是改变聚丙烯的分子链结构，从而改进材料性能。化学改性主要包括共聚改性，降解改性，接枝改性和交联改性四类。物理改性是在聚丙烯基体中加入其它的材料或有特殊功能的添加剂，经过混合、混炼而制成具有优异性能的聚丙烯复合材料。物理改性大致可分为填充改性、共混改性、

增强改性和功能改性等。物理改性比化学改性容易进行改性效果也比较显著，推广容易，经济效益明显。特别是共混改性技术开发周期短、耗费少、制品的物理性能同样能达到应用要求。因此，共混改性是利用现有高分子材料开发新型材料的简便而有效的方法。[15]本课题我们采用的是共混改性的方法，主要有以下几种： 1.2.1橡胶增韧聚丙烯 橡胶增韧聚丙烯作为一种新型的热塑性工程塑料，由于其具有的良好的加工性能、低温冲击性能、耐老化性能及高强度、质轻等特点得到了广泛的应用。 如南剑凌，赵文聘等[13]做了橡胶增韧聚丙烯的改性实验。橡胶形态是指共混改性前加入聚丙烯中的橡胶形态而言，我们试验了两种方法。第一种是将大块橡胶破碎后直接和聚丙烯共混造粒；第二种方法是将破碎后的橡胶先做成增韧母粒．然后再加聚丙烯中。由于两种方法中橡胶颗粒在共混料中的分散形态不一样，因而产品的性能也有很大差别。结果表明：增韧母粒所做增韧聚丙烯和直接破碎的橡胶颗粒所做增韧聚丙烯比较，后者橡胶颗分散比较细、均匀，而前者橡胶颗粒分散较粗且不均匀。橡胶母粒所做增韧聚丙烯其综合性能较橡胶颗粒所做增韧聚丙烯好，特别是断裂伸长率差别很大，这主要是由于橡胶颗粒组，分散不均匀，拉伸过程中很难形成稳定的连续相，从而影响了拉伸率，也影响了低温冲击性能。这种方法虽然取得了一定的成功，但还是有一些不足之处，如挤出温度，挤出产量，挤出机螺杆转速等对橡胶增韧聚丙烯的性能有很大的影响。 1.2.2纳米复合材料增韧聚丙烯 纳米颗粒改性聚丙烯的一个重要原因是纳米颗粒对聚丙烯的α晶相的结晶过程具有诱导效应，微粒越小，其诱导结晶效率越高。聚丙烯试样从熔体降温的过程中生成的结晶基本上是α晶相，球晶尺寸较大；纳米颗粒/聚丙烯复合材料的球晶却小的多，并伴随有β晶相的生成。纳米复合材料力学性能规律性的增加相当一部分来自β晶相的贡献。另一个重要原因是纳米颗粒复合材料受到冲击时会诱导基体发生剪切屈服变形。对于韧性断裂，冲击能耗散主要有基体屈服形变能和银纹化两部分组成，对于脆性材料，能量耗散的主要途径是粒子界面引起的空洞化银纹。纳米颗粒改性聚丙烯后的复合材料的断裂机制由耗散少的银纹化方式向耗散能多的剪切屈服方式转变，从而改善聚丙烯的力学性能[15]。 如蔡洪光，张春雨[4-8]等做了蒙脱土改性聚丙烯的实验，结果表明： ①加入蒙脱土后，随着其含量的增加，断裂伸长率增加；当含量达到6.8%时，断裂伸长率最大可达

到160%以上，因此蒙脱土对PP有较好的增韧作用；②随着蒙脱土填充母料（PPGM）添加量的增加，PP/MMT的拉伸强度、弯曲强度、缺口冲击强度逐渐增大。如PPGM填充量达到大约8phr时，拉伸强度达到35.94Mpa，比纯PP提高了40%；弯曲强度达到78.10Mpa，比纯PP提高了37%；缺口冲击强度则从3.01KJ/m2提高到5.28KJ/m2. ③蒙脱土含量为6.8%时，聚丙烯/蒙脱土复合材料的悬臂梁冲击强度比纯聚丙烯高38.6J/m。以上三点表明纳米颗粒蒙脱土的加入对聚丙烯的力学性能有很大的提高，对聚丙烯的增韧增强效果很显著。但此种方法仍然存在一些不足之处：就蒙脱土对聚丙烯的机械性能改性来看，纳米填料还没有取得比微米填料特别显著的优势，研究亚微米填料无法获得的一些特性，如纳米蒙脱土对聚丙烯的光学性能，阻隔性能，抗老化性能等。 1.2.3无极刚性粒子增韧聚丙烯 对于无极刚性粒子增韧聚合物基体的机理，不少学者对其进行了比较深入的研究。对与超微（小于100nm)无机粒子的增韧改性机理一般理解为：①刚性无机粒子的存在产生应力集中，易引发周围基体树脂产生微开裂，吸收一定的变形功；②刚性粒子的从在使基体树脂裂纹扩张受阻和钝化，不至发展成破坏性开裂；③随着填料的微细化，粒子的比表面积增大，因而填料与基体的接触面积增大，材料受冲击时会产生更多的微裂纹和吸收更多的冲击能，但填料的用量过大，粒子过于接近微裂纹易发展成宏观开裂，体系性能变差[3]。 以聚丙烯/碳酸钙填充体系增韧为例，甄建等[14]研究发现，纳米级碳酸钙对聚丙烯的结晶有明显的异相成核作用，使材料的结晶速率，结晶温度，熔点和热变形温度的得到了提高，力学性能也有所提高，在拉伸强度稍有减小的情况下，当纳米碳酸钙含量为3%和5%时，低温（零下20摄氏度）和常温冲击强度分别达到最大值，特别是低温冲击强度提高了4倍。由于此种方法比较复杂，尚在研究中，所以实验室一般不用这种改性方法。 1.3聚丙烯纳米复合材料的研究 PP纳米复合材料的出现为实现PP的增强增韧改性提供了一条重要新途径。将纳米级的填料通过共混、插层等手段均匀地分散到PP基体中，利用填料的纳米尺寸效应、大的比表面积以及强的界面作用力，将填料的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、加工性及介电性能完美地结合起来，可望获得优异的综合性能。目前国内外研究蒙脱土属 2:1层状硅酸盐，每个单位晶胞由两个硅氧四面体，中间夹带一层铝氧八面体

构成，两者之间靠共用氧原子连接，这种四面体和八面体的紧密堆积结构使其具有高度有序的晶格排列，每层的厚度约为1nm，是一种天然的纳米材料。蒙脱土中发生的同晶置换现象令其层内表面具有负电荷，过剩的负电荷可以通过层间吸附可交换的钾离子，钙离子，镁离子等阳离子平衡 ，有机阳离子也可通过离子交换作用进入硅酸盐片层之间，从而降低无机物的表面能造成亲油微环境 ；如果使用带有活性官能团的有机阳离子，则可以与聚合物基体发生化学键合 ，在有机物与无机物间产生强相互作用，对复合材料性能的提高有很大的裨益[9]。 1.4本课题研究的意义 由于无机刚性粒子增韧体系的作用机理比较复杂，在本课题中，我们采用第二种增韧增强的改性方法。利用蒙脱土的特殊结构，制成聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料。由于纳米效应，大的比表面积以及强的界面作用，将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、加工性及介电性能完美的结合起来，从而获得优异的综合性能，获得各方面性能都较好的新材料，满足各个行业的需求。 参考文献： [1]刘晓辉，范家起，李强等.聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料.制备.表征及动态力学性能.高分子学报，2000,（5）：563-567. [2]刘剑，熊理想，陆秋欢等.聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料研究进展.金山油化纤，2005，（4）：29-34. [3]王珂，张琴，吴照勇等.聚丙烯纳米复合材料的研究进展.工程塑料应用，2001,29（12）：43-45. [4]洪浩群，何慧，丁超等.聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料的结构与性能.材料研究学报，2006,20（2）：197-201. [5]王春艳，李霞.有机蒙脱土的制备与表征.哈尔滨师范大学自然科学学报，2003,19（1）：63-65. [6]刘波，曾幸荣，王岩.聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料的制备与性能研究.合成材料老化与应用，2005,34（4）：10-17. [7]董雁，郑玉婴.聚合物/蒙脱土复合材料的研究进展.漳州职业技术学院学报，2008,10（1）：21-24. [8]蔡洪光，张春雨，邱光南等.聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料的制备与性能.塑料科技，

2006,34（5）：44-47. [9]张强，庄韦，单海涛等.聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料的制备和表征.高分子材料与工程，2007,23（5）：242-245. [10]马继盛，漆宗能，张树范等.插层聚合制备聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料及其结构 表征.高等学校化学学报，2001,22（10）：17-67. [11]赵海超，杨凤，张学金等．原位聚合制备聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料及其结构 性能表征.高分子材料科学与工程，2004,20（2）：185-187. [12]徐卫兵，戈明亮，何平笙.聚丙烯/蒙脱士纳米复合材料的制备与性能.中国塑料，2000，14(11)：27-31. [13]南剑凌，赵文聘，黄平.橡胶增韧聚丙烯工艺与性能研究.塑料科技，2001，（6）：6-8. [14]甄建.聚丙烯纳米复合材料的研究进展.塑料加工应用，2001,23（1）：5-9. [15]姚姗姗.聚烯烃(聚丙烯，聚乙烯)共混改性的研究.青岛科技大学，2006. [16]Sung-Poliu, che-weiliang. polypropylene/montmorillonite composites preparation and permance of the research.Heat and Mass Transfer,2011,38:434-441. [17]J.W.Gilman, C.L.Jackson, A.B.Morgan. Flammability properties of polymer-layered- Silicate nanocomposites.polypropylene and polystyrene nanocomposites,Chem.Mater. 2000,12(7):1866-1873.

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 2.1本课题要研究或解决的问题 随着工业的发展，聚丙烯的用途越来越广，但其性能上的缺陷也越发显得严重。因此寻找有效的途径对聚丙烯进行改性，使其同时达到增强增韧的目的是非常重要的。聚丙烯/无机物纳米复合材料的研究在全球范围内一直是一个热点。国内外的研究学者们，对此进行了大量的开发和研究，成功的研制出了聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料，该改性后的材料，将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性完美的结合了起来。本课题着重研究蒙脱土对聚丙烯的改性，使其同时达到增韧增强的目的，以满足在特定环境下的使用要求。 2.2本课题研究内容 本课题采用电子万能试验机和冲击试验机研究了PP/MMT复合材料的拉伸性能、冲击性能等力学性能，探讨了蒙脱土不同含量与力学性能的关系。研究内容有： （1）研究PP/MMT配方设计及其制备，研究其最佳配方和工艺条件。 （2）力学性能测试：主要研究了PP/MMT常温下冲击性能、拉伸性能以及弯曲性能的影响。 2.3聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料的制备 2.3.1实验原料 表2.3.1实验原料 实验原料 聚丙烯 蒙脱土 抗氧剂 抗氧剂 POE接枝马来酸酐 型号（含量%) T30S 浙江丰虹 1076 168 10% [注]：POE是乙烯和辛烯原位聚合的热塑性弹性体，POE接枝马来酸酐作为相容剂 2.3.2实验配方

表2.3.2实验配方 实验 ω（聚丙烯） ω（蒙脱土） 序号 （PP）% （MMT)% ω（POE接枝 马来酸酐）% 1 2 3 4 5 2.3.3实验步骤 1）聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料的制备 按设定的配方准确称取物料，将基料聚丙烯、改性蒙脱土、抗氧剂、相容剂充分混合后加入双螺杆挤出机造粒，制成聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料。 2）挤出机工作时各段温度设定 机头温度：200℃，一段温度：150℃，二段温度：180℃，三段温度：200℃，四段温度：210℃，五段温度：220℃，六段温度：240℃。 3）经挤出的复合材料粒料在80℃下烘干2小时，加入到注塑机中注塑成标准样条，注射温度设定为：一段温度：225℃，二段温度：220℃，三段温度：210℃，四段温度20℃，射嘴温度：230℃.在100MPa下，保压5-10秒。 2.4聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料的力学性能测试 本实验中主要对拉伸强度，断裂伸长率，缺口冲击强度，和弯曲强度进行测试。按GB1843-80用悬臂梁冲击实验机测试带有缺口试样的冲击强度。按照GB/T1040-92进行拉伸强度的测试。按照GB 1040-92进行材料断裂伸长率的测试。按照GB/1042-79用机械拉力机对试样进行弯曲强度的测试，研究对比不同蒙脱土含量的改性材料力学性能上的区别。 87.8 85.8 83.8 81.8 79.8 2 4 6 8 10 10 10 10 10 10 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 ω（抗氧剂 1076）% ω（抗氧剂 168）%

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指导教师意见： 指导教师： 年 月 日 所在系审查意见： 系主任： 年 月 日