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增强型聚对苯二甲酸丙二酯复合材料的制备、结构与性能研究

作　者: 姚晨光
导　师: 高俊刚；闰明涛
学　校: 河北大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 聚对苯二甲酸丙二酯纳米碳酸钙玻璃纤维 PEN纤维流变学结晶动力学力学性能
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

聚对苯二甲酸丙二酯(Polytrimethylene terephthalate,简称PTT)是继聚对苯二甲酸乙二酯(PET)工业化和聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)产业化以后,新实现工业规模开发的可成纤的聚酯材料。近年,国外已经开始进行大规模的PTT的生产和开发,PTT优异的回弹性和易染性引起纤维材料界的瞩目,国外已把它列为21世纪的新型纤维之一。另外,PTT在工程塑料领域的研究亦逐渐开展起来,在工程塑料领域是具有发展潜力的新型材料。国内对PTT的研究还处于起步阶段,且主要集中于纤维方面的研究和开发,在工程塑料领域开展很少。本文基于PTT的化学、物理特性,并结合聚合物填充改性原理,制备了不同种类和特点的增强型复合材料,并系统研究了它们的结构和性能。PTT／纳米碳酸钙复合材料的微观形态结果表明,经有机表面改性的纳米碳酸钙粒子在PTT基体中的分散情况与纳米粒子的含量相关,粒子含量为1-2%时在基体中分散较均匀,没有团聚发生,有机改性剂发挥了降低表面能的作用；而含量为4%时,出现了部分200-300nm的团聚粒子,说明高粒子含量时双螺杆熔融挤出所产生的剪切力并不足以完全阻止所有粒子团聚。偏光显微镜照片显示复合材料的球晶尺寸和完善程度比纯PTT的小。力学性能测试表明,纳米碳酸钙提高了复合材料的冲击强度、弹性模量,而拉伸强度也略有提高,说明适量的填充纳米粒子对基体起到了增韧、增强作用。以毛细管流变仪研究了PTT／纳米碳酸钙复合材料的流变行为,讨论了共混物的组成、剪切应力和剪切速率及温度对熔体流变行为的影响。结果表明,PTT／纳米碳酸钙复合材料熔体为假塑性流体,表观粘度随着剪切速率增加而降低。纳米碳酸钙加入量为1%时,熔体表观黏度较纯PTT迅速下降；随着纳米碳酸钙含量增加至2-20%时,熔体表观黏度逐渐上升,但都小于纯PTT的表观黏度；直到含量为30%时,熔体表观黏度超过纯PTT的表观黏度。复合材料的结晶和熔融行为显示,复合材料的熔融温度Tm和熔体结晶温度Tpc。比纯PTT都有所升高,说明纳米碳酸钙发挥了异相成核剂的作用。用Avrami方程对复合材料的等温结晶动力学进行了处理。结果表明,纯PTT和复合材料的Avrami指数n都介于2到3之间；复合材料的结晶速度要远远高于PTT的结晶速度,说明加入的纳米碳酸钙粒子作为成核剂加速了聚合物的结晶。结晶活化能结果表明,随着纳米碳酸钙含量的增加,结晶活化能逐渐降低,纳米粒子的加入使结晶过程更易进行。用熔融共混的方法制备了用硅烷偶联剂修饰的短切玻璃纤维增强PTT,制备PTT/GF复合材料。SEM研究玻璃纤维与基体的界面作用结果表明,二者有良好的界面粘结性能,从而保证了复合材料具有较好的力学性能,即随玻璃纤维含量增加,拉伸强度逐渐增加,而冲击强度先变大,在玻璃纤维含量为10%时达到最大,而后又减小。复合材料的等温结晶动力学结果表明纯PTT和复合材料的成核和生长方式不同,玻璃纤维含量增加导致结晶速度变大,玻璃纤维对基体起到了明显的异相成核作用。采用聚对萘二甲酸乙二酯(PEN)短纤维与PTT复合,研究复合材料的流变行为和力学性能。结果表明,PTT/PEN短纤维复合材料熔体为假塑性流体,且熔体表观粘度随着PEN短纤维含量增加而不断上升。熔体表观粘度随着温度升高而下降,提高加工温度有利于改善复合材料的加工性能。随PEN短纤维加入量的增加,复合材料的拉伸强度、断裂强度、弹性模量均明显提高,无缺口冲击强度略有提高,说明PEN短纤维的加入对PTT起到了明显的增强作用,而不降低材料的韧性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-26
  1.1 PTT简介  13-17
    1.1.1 PTT的发展概述  13-14
    1.1.2 PTT的合成  14-15
    1.1.3 PTT的结构  15-17
  1.2 国内外关于PTT的研究现状  17-22
    1.2.1 PTT在非纤领域的研究现状  17-20
    1.2.2 PTT在纤维领域的研究现状  20-22
  1.3 无机材料改性聚合物的研究现状  22-24
    1.3.1 无机材料的种类  22
    1.3.2 聚合物/无机粒子复合材料的制备方法  22-23
    1.3.3 无机材料对聚合物复合材料性能的影响  23
    1.3.4 无机材料改性聚合物中存在的问题及解决方法  23-24
  1.4 增强型PTT复合材料的制备、结构与性能研究  24-26
    1.4.1 纳米碳酸钙增强型PTT复合材料的制备与性能研究  24
    1.4.2 玻璃纤维增强型PTT复合材料的制备与性能研究  24-25
    1.4.3 有机PEN纤维增强型PTT复合材料的制备与性能研究  25-26
第2章 PTT/nano-CaCO_3复合材料的制备、结构与性能研究  26-47
  2.1 实验部分  26-28
    2.1.1 实验原料  26
    2.1.2 仪器设备  26-27
    2.1.3 nano-CaC0_3表面处理  27
    2.1.4 试样制备  27
    2.1.5 材料表征  27-28
  2.2 结果与讨论  28-46
    2.2.1 复合材料流变学研究  28-33
    2.2.2 复合材料的结晶和熔融性能  33-35
    2.2.3 复合材料的微观相形态  35-36
    2.2.4 等温结晶行为及其动力学  36-44
    2.2.5 复合材料的力学性能  44-46
  2.3 结论  46-47
第3章玻璃纤维增强PTT复合材料力学性能及热性能研究  47-58
  3.1 实验部分  47-48
    3.1.1 实验原料  47
    3.1.2 仪器设备  47-48
    3.1.3 试样制备  48
    3.1.4 材料表征  48
  3.2 结果与讨论  48-56
    3.2.1 界面性能  48-49
    3.2.2 复合材料的结晶和熔融行为  49-51
    3.2.3 等温结晶行为及其动力学  51-55
    3.2.4 复合材料的力学性能  55-56
  3.3 结论  56-58
第4章 PEN纤维增强PTT复合材料的流变及力学性能研究  58-65
  4.1 实验部分  58-59
    4.1.1 实验原料  58
    4.1.2 仪器设备  58
    4.1.3 试样制备  58-59
    4.1.4 材料表征  59
  4.2 结果与讨论  59-64
    4.2.1 复合材料组成对熔体流变行为的影响  59-60
    4.2.2 复合材料表观粘度与剪切速率的关系  60-62
    4.2.3 复合材料表观粘度与温度的关系  62-63
    4.2.4 力学性能  63-64
  4.3 结论  64-65
参考文献  65-71
全文结论  71-72
攻读硕士学位期间发表论文  72-73
致谢  73

增强型聚对苯二甲酸丙二酯复合材料的制备、结构与性能研究

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