聚酰胺6/橡胶/天然粘土纳米复合材料的制备及其形态、结构与性能研究
为了降低聚酰胺6/粘土纳米复合材料的高制备成本以及解决材料韧性下降等问题，本研究采用一种低成本的新方法制备出剥离型聚酰胺6/橡胶/天然粘土纳米复合材料。在这个新工艺中，首先以橡胶乳液和蒙脱土浆液为原料制备出一种新型的全硫化粉末橡胶/蒙脱土复合粉末(ultra-finefully-vulcanizedpowderrubber/montmorillonite,UFPRM)，再将其与聚酰胺6进行熔融共混，就可得到聚酰胺6/橡胶/天然粘土纳米复合材料，所用的橡胶是一种具有特殊结构的超细全硫化粉末橡胶(ultra-finefully-vulcanizedpowderrubber，UFPR)。本文分别以下面的三种复合粉末为原料：全硫化粉末丁苯吡橡胶/蒙脱土(VP-UFPRM)复合粉末、全硫化粉末硅橡胶/蒙脱土(S-UFPRM)复合粉末和全硫化粉末丙烯酸酯橡胶/蒙脱土(A-UFPRM)复合粉末，分别制备出聚酰胺6/VP-UFPRM纳米复合材料、聚酰胺6/S-UFPRM纳米复合材料和聚酰胺6/A-UFPRM纳米复合材料。微观形态研究表明，橡胶粒子在聚酰胺6(尼龙6)基体中分散良好，同时未有机化的蒙脱土在橡胶粒子之间的基体中实现剥离。
研究纳米复合材料的性能发现，三种尼龙6/UFPRM纳米复合材料都表现出高刚、高韧、高耐热性以及好的阻燃性。还发现，在相同份数下，三种尼龙6/UFPRM纳米复合材料的刚性和耐热性相差不大。但是由于三种复合粉末中含有不同的UFPR，不同的尼龙6纳米复合材料分别表现出不同的优异性能。尼龙6/VP-UFPRM纳米复合材料有较高的韧性，尼龙6/S-UFPRM纳米复合材料不仅有好的阻燃性还有好的热稳定性和加工流动性，而尼龙6/A-UFPRM纳米复合材料则兼有较高的韧性和热稳定性。
由于VP-UFPRM中的VP-UFPR与尼龙6具有很强的界面粘结力和很好的相容性，所以尼龙6/丁苯吡UFPRM纳米复合材料具有很好的韧性。进一步研究发现，随着丁苯吡UFPRM加入量的增加，尼龙6/VP-UFPRM纳米复合材料的冲击强度随之增加；并且，丁苯吡UFPRM对高分子量尼龙6的增韧、增强效果好于低分子量尼龙6。同时，由于尼龙6中的VP-UFPR和MMT表现出对气体的协同阻隔效应，尼龙6/丁苯吡UFPRM纳米复合材料也具有优异的阻隔性能。
硅UFPR和硅UFPRM都能大大降低尼龙6的热释放速率。在相同的份数下，尼龙6/S-UFPRM纳米复合材料比尼龙6/S-UFPR复合材料表现出更低的热释放速率。研究表明，尼龙6/S-UFPRM纳米复合材料在燃烧结束后形成了与S-UFPR和MMT分别相关的两个隔离层：致密外壳和海岛状隔离层。由于这两个隔离层可以同时保护底部的材料，延缓其降解速率，从而使其阻燃性进一步提高。也就是说，S-UFPRM中的S-UFPR和MMT对尼龙6表现出协同阻燃效果。另外，由于硅橡胶的主链为-Si-O-结构，尼龙6/S-UFPRM纳米复合材料具有很好的加工流动性；并且Si-O键具有很高的键能，所以，尼龙6/S-UFPRM纳米复合材料也具有很好的热稳定性。
对于丙烯酸酯UFPRM。由于丙烯酸酯UFPR几乎没有碳碳双键，而且，丙烯酸酯UFPR与尼龙6的相容性比硅UFPR要好，所以，尼龙6/A-UFPRM纳米复合材料兼有较高的热稳定性和韧性。
UFPRM在尼龙6中的分散机理表明，复合粉末中的橡胶粒子和粘土片层之间相互隔离的特殊结构是天然粘土和相容性较差的橡胶粒子在尼龙6中剥离或分散良好的最关键因素。在熔融共混过程中，粘土片层随着橡胶的形变而开始分散，当橡胶粒子在基体中固定下来以后，由于橡胶粒子对粘土片层的隔离作用，剥离的粘土片层很难团聚；同时，由于粘土片层对橡胶粒子的隔离作用，橡胶粒子也很难聚集。所以，粘土片层在橡胶粒子的帮助下能够在尼龙6基体中剥离，同时，橡胶粒子在剥离的蒙脱土片层的帮助下也能够在尼龙6中均匀分散。换句话说，橡胶粒子和蒙脱土片层可以相互帮助在尼龙6基体中分散。因此，尽管三种UFPR与尼龙6的相容性不同，但是它们都能帮助未有机化的蒙脱土在基体中剥离。所以，在相同的蒙脱土含量下，三种尼龙6/UFPRM纳米复合材料的刚性和耐热性差别不大。
研究尼龙6/UFPRM纳米复合材料的结晶行为表明：(1)纯尼龙6经过双螺杆挤出以后，其结晶速率很快升高；(2)小份数的复合粉末可以提高尼龙6的结晶速率；但是，当复合粉末的量提高到一定份数时，就会阻碍尼龙6结晶，降低尼龙6的结晶速率；而且，复合粉末的含量越高，它们对尼龙6结晶的阻碍作用就越强；当复合粉末的含量相同时，橡胶粒子和粘土在基体中分散越好，对尼龙6的结晶阻碍作用越强；(3)复合粉末的加入导致尼龙6的结晶度有不同程度的降低；(4)复合粉末明显地提高了尼龙6中γ晶体的含量。
聚酰胺6;橡胶;天然粘土;纳米复合材料;熔融共混
北京化工大学
博士
材料学
乔金樑;张晓红
2006
中文
TB332;TB383;TQ323.6
119
2006-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）