聚合物基納米復(fù)合材料及織物增強納米復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、聚合物基納米復(fù)合材料由于其獨特的性能，如力學(xué)、摩擦學(xué)以及電、熱、光學(xué)性能等，已被廣大學(xué)者廣泛的研究。而以聚合物基納米復(fù)合材料為基體、連續(xù)纖維織物作為增強體制備的織物增強納米復(fù)合材料，不僅具有納米復(fù)合材料優(yōu)異的性能，還具有織物增強復(fù)合材料高比強度、高耐磨性和高耐熱性等優(yōu)點。本文選用了不同的納米填料(如納米氧化硅、納米氧化鋁、凹凸棒土和碳納米纖維)分別填充改性各種聚合物基體，包括熱塑性塑料聚甲醛以及熱固性樹脂環(huán)氧樹脂，使用各種制備方法(如原

2、位聚合、直接共混法以及溶液澆鑄法)制備了納米復(fù)合材料，分別研究其力學(xué)、摩擦學(xué)以及電學(xué)性能。之后，使用聚合物納米復(fù)合材料作為基體，連續(xù)纖維織物(聚酯纖維織物)作為增強體，使用手糊成型的方法制備了織物增強納米復(fù)合材料，研究其力學(xué)及摩擦學(xué)性能。本文具體研究工作及結(jié)果如下：
　　1.以三聚甲醛和1，3-二氧戊環(huán)為單體，使用陽離子開環(huán)原位聚合法制備了SiO2/共聚甲醛納米復(fù)合材料。納米粒子在共聚甲醛基體中達(dá)到了納米級的分散，并且分散均勻，無

3、機相與有機相之間無明顯的界面層，納米粒子很好地包覆在共聚甲醛基體中。由于納米氧化硅表面的活性點能夠吸附1，3-二氧戊環(huán)單體，因此改變了陽離子聚合反應(yīng)的機理。納米粒子的存在一方面充當(dāng)了成核劑，加快了結(jié)晶并且降低了微晶尺寸；而另一方面其又造成了片晶扭曲狀的生長，破壞了球晶的對稱性。
　　2.采用雙螺桿擠出機熔融擠出法，制備了無機納米Al2O3粒子填充改性聚甲醛(POM)納米復(fù)合材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)POM/Al2O3納米復(fù)合材料的干摩擦性能有

4、所下降，但油潤滑性能卻得到了顯著提高，這是由于在摩擦過程中脫落下來的納米粒子，可以隨著潤滑油的流動分散到摩擦面的各個部位，填平磨痕，使轉(zhuǎn)移膜薄且均勻，因此降低了磨損量和摩擦系數(shù)；而不像在干摩擦試驗中那樣僅僅滯留在兩個對磨面間而加快了磨粒磨損。9wt％為納米粒子的最佳填充量。納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨著載荷的增加呈先降低后增大的趨勢，摩擦系數(shù)在245N載荷時達(dá)到最低；而磨損量隨著載荷的增加而增加。
　　3.在聚甲醛中同時加入納米粒子和

5、固體潤滑劑聚四氟乙烯和二硫化鉬(PTFE/MoS2)，同樣使用雙螺桿擠出機熔融共混法制備納米復(fù)合材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)POM/PTFE/MoS2/Al2O3納米復(fù)合材料具有最好的力學(xué)及摩擦學(xué)性能，原因是納米粒子與PTFE/MoS2發(fā)生了協(xié)同效應(yīng)：a.對于力學(xué)性能，納米粒子能夠提高分子鏈間的相互作用，而PTFE增強了有機(POM基體)-無機相(納米粒子和MoS2)間的相容性。b.對于摩擦學(xué)性能，PTFE/MoS2促進(jìn)了轉(zhuǎn)移膜的形成，而納米粒子增強

6、了轉(zhuǎn)移膜與對偶面的相互作用。
　　4.使用溶液澆鑄方法制備了不同碳納米纖維(CNF)含量的CNF/環(huán)氧樹脂(EP)納米復(fù)合材料。含有1wt％CNF的納米復(fù)合材料具有很好的CNF分散性并且具有最高的拉伸強度。1wt％CNF/EP納米復(fù)合材料也具有最大的儲能模量。使用修正的Haplin-Tsai公式對納米復(fù)合材料的楊氏模量和儲能模量的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，并加入了CNF團(tuán)聚的影響因素，實驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)具有較好的匹配。CNF/EP納米復(fù)

7、合材料的交流電導(dǎo)率隨著CNF含量的增加具有典型的絕緣體-導(dǎo)體轉(zhuǎn)變行為。含有0.058vol％CNF和0.578vol％CNF的納米復(fù)合材料的導(dǎo)電率與純環(huán)氧樹脂相比分別增加了4個和10個數(shù)量級。納米復(fù)合材料導(dǎo)電率的實驗值遵循滲濾理論，并且所得滲濾閾值很低為0.057vol％。
　　5.使用手糊成型的方法制備了聚酯織物增強納米粒子及PTFE改性環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料(PFNC)。納米粒子與PTFE也發(fā)生了協(xié)同效應(yīng)，導(dǎo)致：a.EP/PTFE

8、/Al2O3/PFNC的纖維-基體界面粘結(jié)強度最大，然而太強的界面粘結(jié)性能卻不利于拉伸性能的提高，反而使織物增強納米復(fù)合材料變脆；b.環(huán)氧樹脂基體耐磨性的提高，使基體對于織物增強納米復(fù)合材料的耐磨性發(fā)揮了更重要的作用，因此整個復(fù)合材料耐磨性提高。然而織物增強納米復(fù)合材料的摩擦系數(shù)卻要高于相對應(yīng)的織物增強復(fù)合材料。
　　6.同樣使用手糊成型的方法制備了聚酯織物增強凹凸棒土(ATP)及PTFE改性環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料。結(jié)果表明經(jīng)過表面有