双向拉伸尼龙6-66纳米复合包装材料的制备与研究

发布时间：2020-09-12 20:10

　　 尼龙是包装领域重要的高分子材料之一,与常用的尼龙6相比,尼龙6-66(PA6-66)具有更优异的韧性、透明性,以及更低的熔点,更低的加工能耗,是一种应用前景广阔的包装材料。然而,现阶段PA6-66薄膜的强度和阻隔性能等需要进一步提高,以拓宽其应用范围,替代传统的包装材料。在包装领域,大部分的尼龙薄膜均进行了双向拉伸过程,以大幅提高薄膜的力学性能和阻隔性能。双向拉伸过程将影响尼龙的微观结构(如结晶度、晶体取向、晶型变化等),微观结构的变化将进一步决定薄膜的宏观性能(如力学性能、阻隔性能、光学性能、热收缩率等)。然而,目前国内外的研究中较少涉及PA6-66薄膜的双向拉伸过程、微观结构转变和薄膜最终性能之间的关系,极大限制了PA6-66在包装领域中的应用。本论文以PA6-66为基材,通过引入蒙脱土(MMT)制备了PA6-66/MMT纳米复合材料,提高了材料的力学性能。在此基础上,为克服PA6-66/MMT韧性不足的问题,通过熔融共混引入纳米二氧化硅(SiO_2),通过SiO_2和MMT的协同作用,不仅改善了PA6-66/MMT的韧性,同时提高了其他各项力学性能。为进一步考察PA6-66、PA6-66/MMT和PA6-66/MMT/SiO_2在包装领域的应用潜力,通过挤出流延成膜并进行双向拉伸,系统研究了双向拉伸对薄膜的结构转变和宏观性能的影响机理。论文主要内容如下:1、采用熔融共混制备了PA6-66/MMT纳米复合材料。研究发现,MMT剥离效果优异,在尼龙基体中分散均匀;MMT具备异相成核作用,促进了PA6-66的成核过程;随着MMT含量的增加,PA6-66/MMT熔体的弹性逐渐降低,纳米复合材料的拉伸强度逐渐提高,韧性逐渐降低。2、为克服PA6-66/MMT韧性不足的缺点,通过引入SiO_2,制备了PA6-66/MMT/SiO_2纳米复合材料。研究发现,SiO_2提高了MMT的剥离和分散效果,SiO_2和MMT两者对PA6-66的结晶性能、热变形温度、非线性流变行为和力学性能均有协同促进作用,引入SiO_2能够同时提高PA6-66/MMT的强度和韧性,在韧性方面的改善作用尤为明显。3、为考察PA6-66及其纳米复合材料在包装领域的应用,首先研究了双向拉伸对纯PA6-66薄膜的结构和性能的影响机理。通过挤出流延制备了PA6-66薄膜,并对薄膜进行单向和双向拉伸。研究发现拉伸后薄膜中主要存在α晶型,单向拉伸后无定型区和α晶的b轴沿MD方向取向,α晶的c轴沿ND方向取向;双向拉伸后无定型区和α晶b轴沿MD方向的取向程度降低,α晶c轴沿ND方向的取向程度提高。随着拉伸比的增加,薄膜的结晶度、片晶的长周期增加,拉伸强度、水蒸气和氧气阻隔性能、热收缩率逐渐提高,断裂伸长率逐渐降低,光学性能基本不变。单向拉伸的薄膜在TD方向的力学性能和热收缩率变化较小,双向拉伸的薄膜MD和TD方向的各项性能基本一致。这表明PA6-66薄膜的各项宏观性能强烈依赖于晶区和无定型区的取向。4、基于PA6-66薄膜的研究,探讨了双向拉伸PA6-66/MMT薄膜的结构和性能变化规律。结果表明,PA6-66/MMT薄膜中的晶型和取向规律与与PA6-66薄膜类似。此外,流延膜中的MMT存在平行于薄膜平面排列的初始取向,拉伸后取向度增加,双向拉伸薄膜中的取向度最高。与PA6-66薄膜的规律一致,随着拉伸比的增加,PA6-66/MMT薄膜的结晶度增加、拉伸强度增加、断裂伸长率降低、阻隔性能提高、热收缩率增加。此外,MMT的加入提高了薄膜的拉伸强度和阻隔性能,降低了薄膜的热收缩率,这些特点有望使PA6-66/MMT薄膜以一种高性能材料应用于包装领域。5、在PA6-66/MMT的基础上,考察了PA6-66/MMT/SiO_2薄膜在双向拉伸作用下的结构和性能。研究发现,SiO_2的加入对PA6-66/MMT薄膜的主要晶型和取向规律影响不大。拉伸和纳米粒子均能提高PA6-66的结晶度,两者共同促进了PA6-66的结晶。拉伸作用对PA6-66/MMT/SiO_2薄膜的力学、阻隔和热收缩率的变化趋势与PA6-66/MMT薄膜一致,而透光率降低、雾度增大。此外,SiO_2的加入在不影响PA6-66/MMT薄膜拉伸强度的基础上提高了断裂伸长率和阻隔性能,降低了热收缩率。由此可见,双向拉伸PA6-66/MMT/SiO_2薄膜具备优异的力学性能、阻隔性能和尺寸稳定性,在包装领域有广阔的应用前景。
【学位单位】：湖南工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33;TB484
【部分图文】：

图 1-2 （a）尼龙 m 和（b）尼龙 mn 的结构通式。Fig. 1-2 General fomulas of (a) nylon m and (b) nylon mn采用多种聚酰胺单体共聚合制备的尼龙。比如2

图 1-3 尼龙 6 的 α 和 γ 晶型结构[3]Fig. 1-3 The crystalline structure of α and γ-form crystal population of nylon 6.尼龙 6 主要形成 α，β和 γ 三种晶型。其中，α晶型为单斜晶系，是尼龙的晶型，一般由熔体缓慢冷却得到。α晶型中，尼龙 6 分子链以反平行的方式，氢键全部成键，是尼龙 6 最稳定的晶型。分子链方向为 b 轴，氢键平面（002

he correlative data of α and γ-form crystal populatioα γ 单斜晶系 假六方晶系a=0.956 nm a=0.472anmb=0.1724 nm c=1.688anmc=0.801 nm γ=120°aβ=67.5°(200) (001)(002/202) (200/ 20 1)d200≈0.370 nm d001≈0.413 nmd002+202≈0.440 nm1.23 1.16241 239斜晶系数据(a=0.933 nm，b=1.688 nm，c=0.478

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本文编号：2817867