主链含芘聚亚苯基砜的制备、性能及其在修饰多壁碳纳米管中的应用

发布时间：2018-12-11 20:15

【摘要】：聚亚苯基砜(PPSU)是一种性能优异的特种工程塑料,其在航空航天、汽车、新能源等领域均有广阔的应用市场。但是越来越苛刻的应用环境对PPSU树脂的性能提出了更高的要求,因此需要借助化学改性或物理改性等手段来提高PPSU树脂的性能。其中,物理改性中目前最常用的方法是利用性能优异的填料对PPSU树脂进行共混改性,这种方法在提高PPSU树脂综合性能的同时还能够降低材料成本,扩大其应用领域。多壁碳纳米管(MWCNTs)作为一种性能优异的纳米填料,近年来受到众多科研者的关注,其应用领域也越来越广泛。但是MWCNTs的比表面积较大并且彼此之间存在着范德华力、π-π堆积、静电和氢键作用,使得其易于团聚,难以在树脂基体中有效分散,从而限制了MWCNTs在树脂基复合材料中的应用。针对MWCNTs难以分散的情况,一般通过共价改性或非共价改性方式来改善这一问题。目前很多研究表明,共价改性可以实现MWCNTs在基体材料中的较好分散。但是共价改性会破坏MWCNTs的表面结构,进而影响MWCNTs本身的力、电等性能,使得MWCNTs的优势不能充分发挥。而非共价修饰是依靠分子间作用力来对MWCNTs进行修饰,基本不会对其表面进行二次破坏。在对MWCNTs表面结构的保护上,相比共价改性,非共价改性是一种较为优异的选择。对于非共价改性,人们通常采用小分子分散剂来改性MWCNTs。但小分子耐热性较差,在材料加工过程中会出现挥发或分解,对于加工温度较高的聚芳醚砜等高性能聚合物体系并不适用。此外,聚合物修饰剂也可用于分散MWCNTs。大部分聚合物修饰剂都是通过简单的链包覆,虽然可在一定程度上提高MWCNTs的分散程度,但由于聚合物修饰剂与MWCNTs的作用力较弱,其改性作用有限。芘分子是一种含有共轭结构的稠环化合物,可以与MWCNTs侧壁通过π-π堆积作用实现对MWCNTs的分散。在不破坏MWCNTs表面结构的基础上,将芘基团引入聚合物中来实现对MWCNTs的非共价改性,既能保证聚合物修饰剂与MWCNTs的作用力,又适用于加工温度较高的高性能聚合物体系。因此,本论文从分子设计的角度出发,合成了具有良好耐热性并适用于PPSU体系的主链含芘聚亚苯基砜(PPSU-m-Py)系列聚合物,以此来实现对MWCNTs的分散改性。通过合成含芘的二酚单体,将其共聚到聚合物的主链上,得到PPSU-m-Py系列聚合物。测试结果表明,本文制备的PPSU-m-Py系列聚合物均具有良好的耐热性,玻璃化转变温度(Tg)均在245℃以上,空气气氛下,5%热失重温度均在555℃以上,其优异的耐热性使其适用于PPSU等加工温度较高的聚合物体系。通过对聚合物种类、超声时间、聚合物浓度、聚合物分子量大小等因素的分析,系统地研究了PPSU-m-Py系列聚合物对MWCNTs的分散条件。最终确定:MWCNTs浓度为2 mg/m L,主链含芘20%的聚亚苯基砜(Py-0.2)在10 mg/m L时对其分散效果最好,分散浓度可达700 mg/L。此外,通过溶液共混的方式得到了不同MWCNTs含量的MWCNTs/PPSU复合材料。与纯PPSU相比,经Py-0.2改性的MWCNTs/PPSU复合材料的力、热性能均得到提升;在MWCNTs添加量为0.5 wt%时,其拉伸强度比纯PPSU提高了5.08 MPa,杨氏模量提高了30%;在MWCNTs添加量为0.2 wt%时,其断裂伸长率比纯PPSU提高了30%。经Py-0.2改性的MWCNTs在PPSU树脂中具有良好的分散性,相关材料具有较好的应用前景。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ326.55;TB383.1

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