基于离子液体制备多功能聚甲醛复合材料的研究

发布时间：2020-08-08 01:11

【摘要】：聚甲醛(POM)作为五大工程塑料之一,具有优异的综合性能,被广泛应用于汽车、电子电气、医疗器械等领域。但随着工业的发展,聚甲醛本身的性能已不能满足工业需求。本研究针对聚甲醛电阻绝缘性高、缺口冲击韧性低以及摩擦性能尚需进一步提高等缺点,首次使用离子液体TBOP-TFSI对聚甲醛进行改性,并与聚甲醛的传统改性剂多壁碳纳米管(MWCNTs)、聚四氟乙烯微粉(PTFE)复合,通过简单熔融共混制备多功能聚甲醛复合材料,使其具有优异抗静电性能、结晶性能、机械性能及摩擦性能。本文围绕TBOP-TFSI对聚甲醛的改性,及离子液体分别与MWCNTs和PTFE复合协同改性聚甲醛,制备POM复合材料三个方面开展实验,研究了TBOP-TFSI、IL-MWCNTs和IL与PTFE对聚甲醛结构和性能的影响,主要内容与结论如下:(1)POM/IL共混物结构性能研究:本文通过简单的熔融共混方法,制备了POM/IL共混物,并使用傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、差式扫描量热仪(DSC)、万能拉伸试验机、高阻仪等对聚甲醛共混物的结构和性能进行了详细的表征。结果表明:TBOP-TFSI的阴离子与聚甲醛上C-H键间的静电相互作用导致两者部分相容,极少量TBOP-TFSI能够在聚甲醛基体中分散均匀,且TBOP-TFSI对POM结晶具有成核作用,可以提高POM的结晶温度和结晶度,减小POM的球晶尺寸。极少量TBOP-TFSI的加入赋予了POM良好的抗静电性能,提高了POM的缺口冲击强度和断裂伸长率,同时使其保持良好的拉伸强度,达到刚韧平衡,可用于制备综合性能优异的POM材料。(2)POM/IL-MWCNTs复合材料结构性能研究:通过将TBOP-TFSI与MWCNTs研磨,利用TBOP-TFSI阴离子上的O=S=O键与MWCNTs间的相互作用实现了离子液体对MWCNTs的包覆,然后将修饰过的MWCNTs(IL-MWCNTs)与POM熔融共混,制备了POM/IL-MWCNTs复合材料。离子液体对MWCNTs的包覆改善了MWCNTs在POM中的分散,且离子液体与MWCNTs对POM具有协同成核的作用,可以促进POM的结晶,减小POM复合物的球晶尺寸,使其拉伸强度提高,并保持良好的缺口冲击韧性。离子液体对MWCNTs的包覆,改善了MWCNTs的分散,同时也使离子液体在基体中的分散提高,进一步提高了POM复合物的抗静电性能。(3)POM/PTFE/IL复合材料结构性能研究:通过将TBOP-TFSI、PTFE与POM三者熔融共混,制备了POM/PTFE/IL复合材料。研究发现,离子液体与PTFE和POM间均具有一定的相互作用,所以离子液体的加入增强了POM和PTFE的界面粘结性,流变测试结果也表明两者界面得以增强;同时离子液体与PTFE对POM还有协同成核的作用,促进了POM的成核,改善了其结晶性能,减小了POM球晶的尺寸。研究还发现离子液体和PTFE的加入,赋予了POM良好抗静电性能,改善了POM的摩擦性能,实现了多功能POM复合材料的制备。
【学位授予单位】：杭州师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TQ326.51
【图文】：

醛（Polyoxymethylene,简称 POM）又名聚氧亚甲基，因其具，如优异的强度和刚度，良好的耐蠕变性、自润滑性、耐化，被认为是一种工程塑料。聚甲醛具有类似金属的硬度，单位多数金属，因此有“赛钢”之称，被广泛应用于汽车工业、、传动滑动设备等领域[1-11]。目前，聚甲醛年产量位居第三，和聚碳酸酯（PC）[12]。聚甲醛有共聚甲醛和均聚甲醛两种[1.布特列洛夫(A.M.Butlever)于 1859 年最早报道了甲醛聚合物 Pont）公司在 1942 年首先发表了制造 POM 的专利，并于 1出了均聚甲醛，定商品名为“Delrin”[15]。美国塞勒尼斯(C0 年顺利研发出了以三聚甲醛与环氧乙烷为原料合成的共聚甲现了其大规模工业化生产，定商品名为“Celcon”[16]。随后SF）、宝理（Polyplastic）、德国赫斯特（Hoechst）、日本旭化公司先后研发出不同品牌、型号的共聚甲醛（图 1.1）[17]。

利用聚偏氟乙烯（PVDF）作为聚甲醛的成核剂改善其结晶行为。实验表明，PVDF的加入不改变聚甲醛的六方晶型，且能够减小聚甲醛的球晶尺寸，如图1.2所示。通过对POM/PVDF共混物非等温结晶Avrami常数的研究，发现PVDF在聚甲醛基体中起到异相成核的作用，并且提高了聚甲醛的成核速率。另外，PVDF的加入阻碍了聚甲醛晶体的生长，降低了复合物的结晶度。图 1.2 纯 POM（a）和 POM/PVDF 共混物（b）的偏光图Figure 1.2 Polarizing optical micrographs of (a) POM and (b) POM/PVDF blendsSun等[35]采用新型成核剂六亚甲基二胺-甲醛缩聚物（HF）对聚甲醛进行成核改性，等温结晶实验发现HF使得聚甲醛Avrami常数（n）和结晶速率常数（k）均有所提高，同时降低了聚甲醛的半结晶时间（ 1/2），表明HF对聚甲醛具有显著的异相成核作用；非等温结晶发现HF提高了聚甲醛的结晶温度和结晶度

米级CaCO3填料的加入对聚甲醛的冲击性能改善并不明显，如图1.4所示。三种CaCO3都会使得聚甲醛的模量提高，其中纳米CaCO3对聚甲醛的增强效果最明显，实验表明聚甲醛复合材料的性能主要与CaCO3在聚甲醛基体中的分散情况及两者间的界面粘结情况有关。然而CaCO3对聚甲醛的增韧效果有限，也可能会使聚甲醛降解，所以陈敏剑等人结合刚性粒子和橡胶增韧的优点，采用TPU和CaCO3共同改性聚甲醛。研究发现TPU和CaCO3在聚甲醛基体中形成了壳-核结构，对聚甲醛有较好的增韧增强效果。刚性粒子做为增韧改性剂可以对聚甲醛起到一定的增韧效果，但其增韧效果受刚性粒子在基体中分散情况的制约，且用量过度还易引发聚甲醛降解。图 1.4 不同尺寸 CaCO3填充的聚甲醛的缺口冲击强度Figure 1.4 Izod impact strength versus CaCO3content of POM/CaCO3composites1.3.3 抗静电改性根据材料表面电阻的不同，通常可将材料分为三大类，如图 1.5 所示。表面电阻低于 105Ω/sq 的材料为导电材料；表面电阻在 106Ω/sq~1012Ω/sq 之间的为抗静电材料；表面电阻在 1012Ω/sq 以上的为绝缘材料。聚合物通常具有高电阻率和低介电常数

【参考文献】

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本文编号：2784807