聚合物纳米复合材料结晶行为研究进展


来源:慧聪网

按照加入纳米粒子种类的不同,可分为聚合物/粘土纳米复合材料及聚合物/刚性纳米粒子复合材料。下面将分别对其进行讨论。
     Pramoda等研究了熔融插层法所制备的聚偏二氟乙烯(PVDF)/粘土纳米复合材料的晶型转换,其研究结果显示在纯的PVDF中只有α晶型的存在,而由于粘土的作用,使得PVDF/粘土复合材料中生成了β晶型,此时体系中的α晶型与β晶型共存。
    Ghosh等以四氯乙烷为溶剂,采用溶液法制备插层/剥离型间规聚苯乙烯(sPS)/粘土纳米复合材料。结果表明在250℃下有机粘土可以明显增加α晶型的含量,而在所有温度下未处理的粘土都可以诱发sPS中β晶的生成。可分散的粘土对sPS基体结晶结构的改变起决定性作用。插入有机粘土片层中的sPS分子被诱导迅速形成α晶型。

2 聚合物/刚性纳米粒子复合材料
2.1 PP/刚性纳米粒子体系结晶行为
    PP/刚性纳米粒子体系是此领域研究受关注较多的体系。马传国等的研究结果表明纯PP及纳米CaCO3填充PP的试样均遵循Avra-mi结晶理论。试验观察到,加入纳米CaCO3后使得PP的半结晶时间缩短近一个数量级,达到最大结晶速率的时间(tmax)也大大缩短,而结晶速率常数k值则提高许多,从而较大提高了PP的结晶速率。从结晶度(Xc)值差别可以看出,纳米CaCO3可提高PP的结晶度,以经过丙烯酸、丁酯接枝处理的纳米CaCO3提高的最为明显,Avrami指数n的差别反映出PP结晶方式的差别。纯PP的n值为3,这与文献报道的理论值相同,说明纯PP结晶成核方式为非均相成核。当加入纳米CaCO3后,n值提高到4以上,说明此时PP结晶的成核方式和生长方式发生了变化。
    Saujanya和Radhakrishnan等通过原位沉积法制备纳米Ca3(PO4)2核壳结构离子,再与PP混合制备PP/Ca3(PO4)2纳米复合材料。研究表明纳米Ca3(PO4)2对PP存在明显的成核作用,结晶诱导期缩短,结晶峰温移向高温,峰宽变窄,结晶速率提高,t1/2缩短。而且纳米复合材料中的球晶尺寸大幅变小,从而提高了材料的透明度。该试验有趣地发现纳米粒子使PP结晶速率增加与粒子尺寸倒数有关系。一般认为成核效率增加与粒子尺寸减小导致表面积增加有关。如果表面积是成核增加的主要原因,其由N(πr2)给出(N是粒子数,r是粒子半径)。那么,结晶速率的增加与1/r有关,而不是与所观察到的与exp(1/r)有关。作者认为同纳米粒子表面性质与本体的不同有关。
2.2 其他聚合物/刚性纳米粒子体系结晶行为
   Zheng等研究了不同条件(在不同温度下由无定型态退火、在不同温度下等温结晶以及溶液结晶)纳米ZnO粒子对PA6结晶结构的影响。当由熔体冷却结晶或由无定型态退火结晶时,ZnO纳米粒子可以诱发PA6形成γ晶型,而且这种影响随着ZnO粒径的减小而增大。从结晶动力学看,ZnO粒子起到2种相互竞争的作用:诱导成核和抑制分子链运动。
   Chae等研究了Ag纳米粒子对PA6结晶动力学的影响,指出纳米Ag粒子可以将PA6的结晶温度提高约14℃,并促进PA6的结晶,并且纳米Ag粒子的存在使得PA6中α晶型的含量减少而γ晶的含量增加。在190℃下结晶时复合材料的熔融温度比纯PA6低了近3℃;而在200℃下结晶时2者的熔融温度则相当。
2.3 粒子表面改性对结晶的影响
    林志丹等报道用丙烯酸(AA)单体改性纳米CaCO3/PP可使结晶温度提高。AA和苯乙烯(St)单体双单体改性纳米CaCO3则可使结晶温度明显降低,但加有过氧化二异丙苯(DCP)后结晶温度大幅提高。双单体改性时,纳米CaCO3/PP中有少量β晶型形成。说明双单体接枝有促进纳米CaCO3表面成核的作用。

3 结语
    在聚合物纳米复合材料体系中,由于纳米粒子分散相的加入,使聚合物的结晶受到以下的影响。一方面,纳米粒子的加入起到异相成核的作用,对于具有多晶性型的聚合物,纳米也可能诱导基体产生新的晶型。另一方面,由于具有高的表面能或是空间区域狭小,纳米粒子对聚合物分子链的运动也产生一定的抑制作用,从而在某种程度上抑制球晶长大。高聚物的结晶速率受成核速率与生长速率的控制,纳米粒子对聚合物的结晶行为影响实际上是以上2种作用的综合效果。
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