聚甲醛/纳米SiO2复合材料的力学性能、结晶行为及热稳定性研究
发布时间：2021-07-14 00:27
以改性纳米SiO2为填料,通过熔融共混工艺制备聚甲醛/纳米SiO2复合材料,对其力学性能、结晶行为及热稳定性进行了研究。结果表明:复合材料的拉伸强度和缺口冲击强度随着SiO2含量的增加呈先增大后减小的趋势,二者分别在SiO2质量分数为3%和1%时达到最大;而弹性模量的情况则有所不同,其随着SiO2含量的增加不断增大。DSC测试结果显示,纳米SiO2具有较好的形核作用,能够促进聚甲醛的结晶温度升高,但会抑制晶粒的生长,导致复合材料结晶度的降低。此外,纳米SiO2还能显著提高聚甲醛的热稳定性。与纯聚甲醛相比,复合材料的最大热分解温度在氮气和空气气氛下分别提高了约41.1℃和24.5℃。
【文章来源】：塑料科技. 2020,48(01)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
POM链分解机理示意图
图7为POM和POM/AMS复合材料在氮气和空气气氛下的TG和DTG曲线。与纯POM相比，AMS的添加使复合材料的热分解温度向高温方向上移动。但在不同气氛条件下，AMS含量对POM热分解行为的影响不同。由图7a可以看出，在氮气气氛条件下，AMS含量的变化对POM的热分解起始温度和最大热分解温度影响不大。与纯POM相比，复合材料的最大热分解温度提高了约41.1℃。但在空气气氛条件下，情况有所不同。POM的热分解起始温度较在氮气气氛条件下显著降低。而复合材料的热分解起始温度和最大热分解温度随着AMS含量的增加逐渐升高，如图7b所示。当AMS的含量为5%时，复合材料的最大热分解温度达到最大，较纯POM升高了约24.5℃。不同气氛条件下，AMS含量对复合材料热分解起始温度和最大热分解温度不同的影响，可以归因于在不同环境下AMS对POM热分解过程所起的作用不同。POM/AMS复合材料受热分解时，AMS表面的氨基可以吸收POM热分解释放出来的甲醛，同时中和甲酸，从而起到减缓POM降解提高热稳定性的作用[24]（见图8）。在氮气气氛条件下，POM受热分解所释放出的甲醛是有限的，且由于氧气的缺乏，甲酸几乎不能生成，因此，少量的AMS就能完全吸收POM热分解释放出来的甲醛，导致AMS含量对POM的热分解行为几乎没有影响。但在空气气氛条件下，甲醛和氧气反应后所生成的甲酸能够加速POM分解，同时明显降低复合材料的热分解温度，这是同一复合材料在空气气氛条件下的热分解温度要比氮气气氛条件下低得多的主要原因。随着AMS添加量的增加，其在POM基体中吸收甲醛和中和甲酸的能力持续增强，POM的热稳定性也随之不断提高。
图2为AMS含量对POM/AMS复合材料力学性能的影响。由图2a可以看出，复合材料的拉伸强度随AMS含量的增加不断提高，在3%（质量分数，下同）时达到最大值，之后随AMS含量的继续增加而有所降低。由于AMS表面具有长的烷基链且含有氨基基团，AMS添加量较低时，良好的分散性使其易于与POM链段发生相互缠绕或形成氢键连接；而POM/AMS界面相互作用的增强使AMS能够通过应力传递成为外部载荷的承载体，这有助于复合材料拉伸强度的提高。当AMS含量超过3%时，团聚现象的加剧导致AMS与POM链段之间的相互作用力减弱，复合材料拉伸强度开始呈现逐渐下降的趋势。弹性模量的情况则有所不同，其随AMS含量的增加而持续上升。在AMS含量为5%时，复合材料的弹性模量较纯POM增加了大约28%。复合材料弹性模量的这一变化与AMS的颗粒尺寸及添加量有关。对于聚合物基复合材料来说，当无机填料相尺寸在0.04～200μm时，其弹性模量的大小主要取决于填料的含量[16]。而在本实验中，AMS在POM基体中更多的是以团聚体形式出现，其尺寸大小几乎都在这个范围内，这是导致复合材料的弹性模量随AMS含量的增加不断增大的主要原因。复合材料缺口冲击强度的变化与拉伸强度类似，其在AMS含量为1%时达到最大值，之后随着填料含量的增加逐渐降低，如图2b所示。由于带有长烷基链的AMS在与POM链段发生相互作用后易形成一柔性界面层，它的出现能够增加复合材料受到冲击发生断裂时的能量消耗，尤其是在高结晶度的POM基体中。因此，低AMS含量的复合材料表现出较好的抗冲击性能[17]。但随着AMS含量的增加，大量AMS团聚体的产生一方面会带来复合材料内部应力集中程度的增加，引起基体变形；另一方面还会破坏基体的连续性，缩短裂纹扩展的距离，所有这些导致复合材料冲击性能的大幅下降。2.2 动态力学性能
本文编号：3283026
【文章来源】：塑料科技. 2020,48(01)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
POM链分解机理示意图
图7为POM和POM/AMS复合材料在氮气和空气气氛下的TG和DTG曲线。与纯POM相比，AMS的添加使复合材料的热分解温度向高温方向上移动。但在不同气氛条件下，AMS含量对POM热分解行为的影响不同。由图7a可以看出，在氮气气氛条件下，AMS含量的变化对POM的热分解起始温度和最大热分解温度影响不大。与纯POM相比，复合材料的最大热分解温度提高了约41.1℃。但在空气气氛条件下，情况有所不同。POM的热分解起始温度较在氮气气氛条件下显著降低。而复合材料的热分解起始温度和最大热分解温度随着AMS含量的增加逐渐升高，如图7b所示。当AMS的含量为5%时，复合材料的最大热分解温度达到最大，较纯POM升高了约24.5℃。不同气氛条件下，AMS含量对复合材料热分解起始温度和最大热分解温度不同的影响，可以归因于在不同环境下AMS对POM热分解过程所起的作用不同。POM/AMS复合材料受热分解时，AMS表面的氨基可以吸收POM热分解释放出来的甲醛，同时中和甲酸，从而起到减缓POM降解提高热稳定性的作用[24]（见图8）。在氮气气氛条件下，POM受热分解所释放出的甲醛是有限的，且由于氧气的缺乏，甲酸几乎不能生成，因此，少量的AMS就能完全吸收POM热分解释放出来的甲醛，导致AMS含量对POM的热分解行为几乎没有影响。但在空气气氛条件下，甲醛和氧气反应后所生成的甲酸能够加速POM分解，同时明显降低复合材料的热分解温度，这是同一复合材料在空气气氛条件下的热分解温度要比氮气气氛条件下低得多的主要原因。随着AMS添加量的增加，其在POM基体中吸收甲醛和中和甲酸的能力持续增强，POM的热稳定性也随之不断提高。
图2为AMS含量对POM/AMS复合材料力学性能的影响。由图2a可以看出，复合材料的拉伸强度随AMS含量的增加不断提高，在3%（质量分数，下同）时达到最大值，之后随AMS含量的继续增加而有所降低。由于AMS表面具有长的烷基链且含有氨基基团，AMS添加量较低时，良好的分散性使其易于与POM链段发生相互缠绕或形成氢键连接；而POM/AMS界面相互作用的增强使AMS能够通过应力传递成为外部载荷的承载体，这有助于复合材料拉伸强度的提高。当AMS含量超过3%时，团聚现象的加剧导致AMS与POM链段之间的相互作用力减弱，复合材料拉伸强度开始呈现逐渐下降的趋势。弹性模量的情况则有所不同，其随AMS含量的增加而持续上升。在AMS含量为5%时，复合材料的弹性模量较纯POM增加了大约28%。复合材料弹性模量的这一变化与AMS的颗粒尺寸及添加量有关。对于聚合物基复合材料来说，当无机填料相尺寸在0.04～200μm时，其弹性模量的大小主要取决于填料的含量[16]。而在本实验中，AMS在POM基体中更多的是以团聚体形式出现，其尺寸大小几乎都在这个范围内，这是导致复合材料的弹性模量随AMS含量的增加不断增大的主要原因。复合材料缺口冲击强度的变化与拉伸强度类似，其在AMS含量为1%时达到最大值，之后随着填料含量的增加逐渐降低，如图2b所示。由于带有长烷基链的AMS在与POM链段发生相互作用后易形成一柔性界面层，它的出现能够增加复合材料受到冲击发生断裂时的能量消耗，尤其是在高结晶度的POM基体中。因此，低AMS含量的复合材料表现出较好的抗冲击性能[17]。但随着AMS含量的增加，大量AMS团聚体的产生一方面会带来复合材料内部应力集中程度的增加，引起基体变形；另一方面还会破坏基体的连续性，缩短裂纹扩展的距离，所有这些导致复合材料冲击性能的大幅下降。2.2 动态力学性能
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