碳納米管增強(qiáng)增韌不相容共混物PP-EVA的研究.pdf

1、聚丙烯(Polypropylene，PP)以其綜合性能優(yōu)良而被廣泛應(yīng)用，但低溫脆性卻大大限制了它的使用范圍。通過彈性體增韌改性PP是目前廣泛使用的方法，但PP韌性提高的同時，強(qiáng)度和模量卻急劇降低。尤其是當(dāng)PP與彈性體相容性較差時，共混物形成典型的兩相結(jié)構(gòu)，具有非常清晰的兩相界面，因而增韌效果不甚理想。碳納米管具有在裂紋面上橋接，阻止裂紋引發(fā)和擴(kuò)展的作用，因而在增強(qiáng)的同時，可以對聚合物起到一定的增韌作用?；诖耍菊撐臄M采用具有一定結(jié)晶性

2、能的極性彈性體聚乙烯-醋酸乙烯酯(Ethylene-co-vinyl acetate，EVA)增韌PP為研究對象，以碳納米管為改性填料，通過碳納米管的官能化改性，EVA聚合物中單體VA含量的選擇，調(diào)控碳納米管與PP和EVA兩相之間的相互作用；在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了碳納米管含量、共混物相形態(tài)、共混工藝等參數(shù)的變化對復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響。主要研究成果如下：
　　 1)通過先酸化然后接枝馬來酸酐的方法，成功地對碳納米管進(jìn)行

3、表面修飾，在碳納米管表面引入羰基、羧基、羥基等極性官能團(tuán)。
　　 2)不相容共混物PP/EVA的相形態(tài)結(jié)構(gòu)隨著EVA含量的變化而變化。當(dāng)EVA含量低于40％時，共混物為典型的海-島相形態(tài)；當(dāng)EVA含量達(dá)到40％及以上，共混物則表現(xiàn)為典型的雙連續(xù)相形態(tài)。碳納米管的加入對共混物微觀相形態(tài)產(chǎn)生明顯的影響，而這種影響依賴于樣品制備過程中母料的選擇。具體表現(xiàn)為：以PP/f-MWCNTs為母料制備的三元納米復(fù)合材料，f-MWCNTs的分散性

4、較差；而以EVA/f-MWCNTs為母料制備的三元納米復(fù)合材料，f-MWCNTs的整體分散性較好，但大都束縛在EVA相區(qū)中。
　　 3)f-MWCNTs的引入有利于不相容共混物韌性的提高，其增韌效率依賴于復(fù)合材料中EVA含量和樣品制備方法。表現(xiàn)為：對于PP/EVA(80/20)體系，沖擊強(qiáng)度僅僅隨著f-MWCNTs含量的提高而有輕微的提高，沖擊斷面整體光滑平整，并未呈現(xiàn)明顯的剪切屈服或塑性變形，斷裂方式屬典型的脆性斷裂；對于PP

5、/EVA(60/40)雙連續(xù)相形態(tài)體系，特別是以EVA為母料加工的組分，少量f-MWCNTs的引入即可大大提高體系的沖擊強(qiáng)度，沖擊斷面非常粗糙，并伴隨著大量的塑性變形以及纖維化特征，屬于典型的韌性斷裂。證明在含有雙連續(xù)相形態(tài)的復(fù)合材料中，f-MWCNTs與EVA形成雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且部分f-MWCNTs橫跨不相容的兩相界面，起到顯著增強(qiáng)界面粘結(jié)力的作用，從而大大改善了該體系的力學(xué)性能。
　　 4)在低速拉伸實驗條件下，PP/EVA

6、(80/20)體系均在較低的位移下發(fā)生了斷裂，表現(xiàn)出典型的脆性斷裂。f-MWCNTs的引入并沒有明顯的改善PP/EVA(80/20)體系的裂紋擴(kuò)展情況，其裂紋擴(kuò)展位移以及裂紋擴(kuò)展能幾乎保持不變，并沒有隨著碳納米管含量的增加而增加。而碳納米管的引入使得PP/EVA(60/40)體系在拉伸應(yīng)力承載過程中，表現(xiàn)出更大的拉伸位移，屬于典型的韌性斷裂。在拉伸斷裂過程中，碳納米管的引入使得PP/EVA(60/40)體系引發(fā)能和擴(kuò)展能都得到了大幅度提

7、高，但是相比裂紋引發(fā)能的提高，斷裂韌性的提高主要?dú)w功于裂紋擴(kuò)展能的明顯提高，斷裂過程主要由擴(kuò)展階段來控制。說明碳納米管在PP/EVA(60/40)雙連續(xù)相形態(tài)中的作用表現(xiàn)為，在含有雙連續(xù)相形態(tài)的復(fù)合材料中，f-MWCNTs與EVA形成雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且部分f-MWCNTs橫跨不相容的兩相界面，起到顯著增強(qiáng)界面粘結(jié)力的作用。碳納米管聯(lián)合EVA在共混物中形成的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及界面上碳納米管的橋聯(lián)作用，可以顯著改善PP/EVA之間的相容性，有效增

8、加裂紋引發(fā)吸收功，阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，從而大大改善了該體系的拉伸斷裂韌性。
　　 5)通過改變VA單體的質(zhì)量百分比含量來調(diào)控基體的極性，以研究碳納米管在不相容共混物PP/EVA中的選擇性分散對分散相EVA的極性依賴性。熱力學(xué)的計算分析表明，在EVA18體系中，大部分的碳納米管會分散在不相容共混物PP/EVA的界面上；而在EVA28體系中，碳納米管則更傾向于選擇性的分散在極性EVA粒子內(nèi)部。通過SEM以及TEM表征再次驗證了碳納

9、米管在兩種不同極性共混物中的分散。PP/EVA18體系中，分布于界面上的碳納米管所形成的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及EVA粒子在該體系中的均勻分散，導(dǎo)致了不相容共混物PP/EVA力學(xué)性能的大幅度增加；而在PP/EVA28體系中，由于碳納米管被吸附到極性較強(qiáng)的EVA粒子內(nèi)部，導(dǎo)致碳納米管對EVA28體系的增韌效果不如EVA18體系?？偟膩碚f，碳納米管的引入可以大大增強(qiáng)不相容共混物PP/EVA的力學(xué)性能，但這種增強(qiáng)增韌的效果依賴于加工順序以及分散相極性的