纳米AL-20-3/尼龙6复合材料的制备及性能表征

2022-12-29

M C尼龙是单体浇注尼龙 (m o n o m e r casting nylon) 的简称, 是一种新型的工程塑料。它是以己内酰胺为主要原料, 在常压下, 通过阴离子聚合而成的新型工程塑料。研究结果表明:传统的改性方法都是以牺牲材料某方面的性能为代价的, 在增加材料的冲击韧性时, 其拉伸强度、刚度等相关性能却下降, 而在增加材料的拉伸强度、刚度时, 其韧性却变差。

1 实验部分

1.1 材料

A L-2 0-3纳米粉, 粒径约5 0 n m, 自制己内酰胺, 工业级, 中国石化股份公司巴陵分公司生产;N a O H, 分析纯, 汕头市光华化学厂生产;甲苯二异氰酸酯 (T D I) , 分析纯上海试剂一厂生产。

1.2 仪器及设备

SB3200型超声清洗仪 (上海新芝生物技术研究所制造) ;C S 1 0 1-2型电热鼓风干燥箱, 常温~3 0 0℃ (中国重庆银河实验仪器有限公司制造) ;2 X Z-2型旋片真空泵 (浙江黄岩求精真空泵厂制造) ;不锈钢模具:200mm×200mm×40mm和200mm×200mm×20mm (自制) 。

1.3 复合材料的制备

将己内酰胺和经偶联剂改性的纳米A L-2 0-3装入干燥的三口烧瓶中, 加热熔融, 超声分散一定时间, 在真空度大于01MPa和温度110℃~130℃下, 抽真空脱水至出现大气泡, 然后解除真空, 加入定量的N a O H, 继续抽真空脱水至出现大气泡, 再抽1 0 m i n以上, 解除真空;将溶液调至一定温度, 加入定量的T D I, 搅拌均匀, 浇注入经160℃预热的模具中, 恒温反应30min, 自然冷却至室温, 脱模, 即得到A L-2 0-3/M C尼龙纳米复合材料。

1.4 复合材料的表征

复合材料的冲击断口真空喷金后, 在JEOL公司的JSM-5600LV型扫描电镜上进行分析;将复合材料制成粉, 在日本理学D/Max2550全自动转X射线衍射仪上进行X R D测试, C u K a (λ=0·1 5 4 n m) , 管流300m A, 管压40k V;差示量热扫描 (DSC) , 测试温度范围:2 9 8~4 5 3 K, N 2气氛, 升温速率:1 0 K/m i n;复合材料的力学性能按照工程塑料国家检测标准进行测试, 其中拉伸强度、断裂伸长率的测试按GB/T1040-92执行;缺口冲击强度的测试按G B/T 1 0 4 0-9 3执行;弯曲强度和弯曲模量的测试按GB1042-79执行。

2 结果与讨论

2.1 纳米AL-20-3在MC尼龙基体中的分散情况

从含1%AL-20-3的AL-20-3/MC尼龙纳米复合材料的冲击断口的SEM照片可看出, A L-2 0-3纳米粒子均匀分散在M C尼龙基体中, 团聚情况较少, 由此说明通过原位分散聚合法制备A L-2 0-3/M C尼龙纳米复合材料是可行的。

2.2 AL-20-3/MC尼龙纳米复合材料的晶体结构

从MC尼龙和含1%AL-20-3的A L-20-3/MC尼龙纳米复合材料的X R D图可看出, A L-2 0-3/M C尼龙纳米复合材料除了出现M C尼龙的特征衍射峰外, 还出现了A L-2 0-3的特征衍射峰。

尼龙6是一种多晶型聚合物, 在不同条件下, 将出现α (单斜晶系) 和γ (六方晶系) 两种不同的晶体结构, 通常尼龙6以α晶型存在, 在X射线衍射图上, α晶型将呈现两个峰, 分别为2θ=2 0.5°以及2θ=2 4°;γ晶型是不太稳定的晶型, 其在X射线特征峰位置为2θ=2 1.5°。A L-2 0-3/MC尼龙纳米复合材料在2 0.1 0°和23.92°出现了两个衍射峰, 这归属于M C尼龙在 (200) 和 (002, 202) 晶面的α1和α2晶型的特征衍射峰, 而没有出现γ晶型的特征吸收峰。由此说明, 稀土纳米氧化物使M C尼龙的晶格尺寸发生了一定程度的改变。这可能是由于稀土氧化物纳米粒子与M C尼龙分子存在较强的相互作用, 引起M C尼龙的晶格畸变所致。

2.3 AL-20-3/MC尼龙纳米复合材料的力学性能

2.3.1 纳米A L-2 0-3用量对拉伸强度和断裂伸长率的影响

随着纳米A L-2 0-3用量的增加, 复合材料的拉伸强度和断裂伸长率呈先升后降的趋势。当纳米A L-2 0-3用量为0.5%时, 复合材料的拉伸强度和断裂伸长率达到最大值, 分别比M C基体提高1 9.6%和4 7.2%;用量再增加, 复合材料的拉伸强度有所下降。

2.3.2 纳米A L-2 0-3用量对冲击强度的影响

复合材料的缺口冲击强度与纳米A L-2 0-3用量的关系比较复杂, 随着纳米A L-2 0-3用量的增加, 复合材料的缺口冲击强度先升后降, 然后又升高, 当纳米A L-2 0-3的用量为0.5%时, 复合材料的缺口冲击强度出现一极大值点, 此时, 复合材料的缺口冲击强度比MC尼龙基体提高19·7%。

2.3.3 纳米A L-2 0-3用量对弯曲强度和弯曲模量的影响

A L-2 0-3/M C尼龙纳米复合材料的弯曲强度和弯曲模量随着纳米A L-2 0-3用量的增加, 均呈先升后降, 然后又升高。当纳米AL-20-3的用量为0.5%时, 复合材料的弯曲强度和弯曲模量都出现一极大值点, 此时, 复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别比MC尼龙基体提高9.3%和11.7%。

2.4 稀土纳米氧化物对M C尼龙的增强增韧机理探讨

上述研究结果表明, 在M C尼龙基体中加入少量的纳米A L-2 0-3便可明显改善MC尼龙的力学性能, 而且对M C尼龙同时具有增强和增韧双重效果。这一结果与常规材料和微米材料的改性效果截然不同, 究其原因, 可能是由于纳米粒子的增强增韧机理与常规材料和微米材料的增强增韧机理不同引起的。

作者认为, 无机纳米粒子对聚合物基体的增强增韧作用是由于无机纳米粒子和聚合物基体之间存在强烈的物理化学作用引起的, 可同于物理化学增强增韧机理。

从M C尼龙和A L-2 0-3的分子结构来看, M C尼龙分子之间只存在分子间作用力, 其中主要是酰胺键之间的氢键作用, 而A L-2 0-3纳米粒子表面存在大量的稀土原子、氧原子和羟基, 一方面氧原子和羟基可与M C尼龙分子的酰胺键之间形成氢键, 另一方面稀土原子存在空的f轨道可与M C尼龙分子酰胺键上的N原子形成配位键。由此可见, A L-2 0-3纳米粒子与M C尼龙分子之间的作用力既有物理作用也存在化学作用, 比M C尼龙分子之间的作用力大得多, A L-2 0-3纳米粒子在M C尼龙基体中起到物理化学交联点的作用, 因而可显著提高M C尼龙的综合性能。

3 结语

(1) 用原位分散聚合法制备A L-2 0-3/M C尼龙纳米复合材是可行的。

(2) 纳米AL-20-3没有改变MC尼龙的结晶形态, 但使其晶格尺寸发生了一定程度的改变。

(3) 纳米A L-2 0-3的加入可明显改善M C尼龙的力学性能, 随着纳米A L-2 0-3用量的增加, 复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、缺口冲击强度、弯曲强度和弯曲模量都呈先升后降的趋势。当纳米A L-20-3用量为0.5%时, 复合材料的综合性能最好, 其拉伸强度、断裂伸长率、缺口冲击强度、弯曲强度和弯曲模量分别比M C尼龙基体提高19.6%、47.2%、19.7%、9.3%和1 1.7%。在一定的浓度范围内, 纳米A L-2 0-3对M C尼龙同时具有增强和增韧双重效果。

摘要：无机纳米粒子的出现为MC尼龙的改性提供了新途径。本研究用原位分散聚合法制备了一系列AL-20-3/MC尼龙纳米复合材料, 并对其结构和力学性能进行表征进行探讨。

关键词：尼龙纤维,纳米材料