第5章 聚合物纳米复合材料结构与性能课件.ppt
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1、1,第五章聚合物纳米复合材料的结构与性能,2,纳米复合材料是指分散相尺寸至少有一维小于100nm的复合材料。聚合物基纳米复合材料(Polymeric Nanocomposite,PNC)是以高聚物为基体,与金属粒子、无机非金属材料以及有机物等进行纳米复合得到的材料。,3,聚合物纳米复合材料可将分散相的刚性、尺寸稳定性、热稳定性及特殊功能与聚合物的韧性、可加工性及介电性能等完美地结合起来。且分散相与基体间具有强烈的界面相互作用,使其表现出不同于一般宏观复合材料的力学性能、热学性能、电磁学性能以及光学性能等,是制备高性能多功能聚合物材料的重要方法之一。,4,纳米粒子的特性,表面效应小尺寸效应量子效
2、应,5,处于表面的原子数随着纳米粒子粒径的减小而迅速增加。由于表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同,其具有很大的化学活性。,纳米粒子的粒径与表面原子的关系,6,聚合物/层状硅酸盐粘土纳米复合材料(polymer/layered silicate,PLS),自1987年日本报道用插层聚合方法制备尼龙6/粘土混杂材料以来,国内外对聚合物/粘土纳米复合材料的研究异常活跃。制备出Nylon 6、PET、PBT、PS/粘土等性能优异的聚合物/粘土纳米复合材料。,7,层状硅酸盐粘土的有机化PLS纳米复合材料的制备方法PLS纳米复合材料的结构与性能,8,一、层状硅酸盐粘土的有机化,在PLS纳米复合材料中
3、应用的层状硅酸盐矿物有蒙脱土、高岭土、海泡石、蛭石等,这是由于它们具有较大的初始间距以及可交换的层间阳离子,可以利用离子交换的方式将它们的层间距扩大,从而允许聚合物分子链插入层间。,9,蒙脱土晶体结构示意图,10,由于蒙脱土的层间结构松散,水分子或其他有机分子可以进入层间,所以造成蒙脱土具有吸水膨胀性、高分散性、吸附性等,这也是蒙脱土易造浆、活化、有机化和改型的原因所在,为PLS纳米复合材料的制备提供了重要依据。,11,由于粘土层间距仅为1nm左右,且层间化学微环境微亲水憎油性。通过离子交换对粘土进行有机化,即粘土间的阳离子(如Na+,K+,Ca2+等)和有机阳离子(插层剂)交换生成亲油性粘土
4、。,12,插层剂应满足以下几个条件,容易进入硅酸盐层间,并能显著增大粘土晶片间层间距。插层剂分子应与聚合物单体或高分子链有较强的物理或化学作用,以利于单体或聚合物插层反应的进行、增强粘土片层与聚合物两相间的界面粘结。价廉易得,最好是现有的工业品。,13,离子交换反应:简单的可逆过程。在实际的处理过程中,为了充分将片层间的阳离子交换出来,要使用过量的插层剂(Y)以驱使该反应尽量向右边进行。,14,离子交换的速度主要由粘土颗粒在溶剂中的扩散速度和插层剂向蒙脱土片层表面扩散并取代原有金属离子的速度所决定。研究表明交换速率与浸润时间的平方根有明显的线性关系。,15,利用烷基铵盐置换蒙脱土层间阳离子,1
5、6,布拉格(Bragg)方程计算层间距d:测试条件为CuK,入射X射线的波长0.154nm,蒙脱土片层间距的测定,17,几种典型的WAXD谱图1-钠基蒙脱土;2-有机蒙脱土;3-PS/MTT纳米复合材料,18,蒙脱土有机改性方法,烷基铵盐和烷基胺氨基酸 聚合物单体 引发剂和催化剂偶联剂 多组分共插层剂,19,蛭石的XRD曲线,20,层间距随氨基酸碳原子数的增加而增大。当11,插层剂与蒙脱土片层方向以一定角度倾斜排列。蒙脱土片层间距随碳原子增加而明显变大。因此,插层剂往往带有一个较长的烷基链。烷基链太长的有机蒙脱土热稳定较低,使其插层复合物的热稳定性受到影响。,21,有机粘土层间距与-氨基酸碳链
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