【摘要】：尼龍(PA)是五大通用工程塑料之一,由于其優(yōu)異的力學(xué)性能,廣泛應(yīng)用于電子電器、汽車、機(jī)械、醫(yī)療和運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域。近年來,隨著現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域?qū)こ滩牧闲阅芤蟮牟粩嗵岣?市場(chǎng)對(duì)耐高溫工程塑料需求急劇擴(kuò)大。尼龍46(PA46)是少數(shù)幾種商業(yè)化的耐高溫尼龍之一,其具有高熔點(diǎn)、高結(jié)晶度和良好的耐磨性能,具有較好的應(yīng)用前景。但由于其結(jié)構(gòu)中酰胺基含量較高,因此吸水性強(qiáng),吸水后強(qiáng)度降低,并影響尺寸穩(wěn)定性,限制了其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大。如何有效降低PA46的吸水性,同時(shí)提高其復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐磨性、耐熱性和阻燃性能等成為亟需解決的關(guān)鍵問題。聚苯醚吸水性低、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性好,常被用于PA的改性。本論文采用熔融共混法,以馬來酸酐接枝改性聚苯醚(PPOG)與PA46共混降低PA46的吸水性,添加有機(jī)改性納米磷酸鋯(FZrP)與聚氨酯包覆處理的碳纖維(PCF)作為增強(qiáng)填料,通過雙螺桿擠出機(jī)制備了低吸水性耐磨PA46復(fù)合材料,研究了復(fù)合材料的吸水性、力學(xué)性能、耐熱性、摩擦磨損性能等。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:(1)研究了PPOG對(duì)PA46吸水性、力學(xué)性能、流動(dòng)性能、熱變形溫度(HDT)和摩擦磨損性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),PPOG可大幅降低PA46/PPOG復(fù)合材料的吸水率。當(dāng)PPOG用量為10 wt%時(shí),復(fù)合材料吸水率從4.67%下降至2.64%,并保持了良好的力學(xué)性能、流動(dòng)性和耐熱性。掃描電鏡(SEM)結(jié)果表明,PA46和PPOG相容性良好,PPOG以微小尺寸均勻分散在PA46基體中。(2)通過水熱法合成磷酸鋯(ZrP),再經(jīng)過γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)修飾得到有機(jī)改性納米磷酸鋯(FZrP),利用熔融共混法制備了PA46/PPOG/FZrP納米復(fù)合材料。水接觸角(WCA)、SEM和X射線衍射(XRD)等分析表明,KH-550顯著降低了ZrP的親水性,ZrP被成功剝離為薄的納米片層。研究發(fā)現(xiàn),FZrP顯著增強(qiáng)了PA46/PPOG復(fù)合材料的耐磨性和力學(xué)性能,使吸水性降低。與純PA46/PPOG相比,當(dāng)FZrP用量為2 wt%時(shí),復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損體積分別從0.53和12.4 mm~3下降到0.23和0.7 mm~3;拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別從81.9 MPa、127.3 MPa和9.3 kJ/m~2增加至94.4 MPa、139.0 MPa和12.7 kJ/m~2;吸水率從2.64%下降至2.43%。磨損表面和磨屑的掃描電鏡-X射線能譜(SEM-EDX)、X射線光電子能譜(XPS)、XRD等分析表明,在摩擦過程中,FZrP由于與基體較強(qiáng)的界面結(jié)合,難以被剝落,而是保留并富集在磨損表面,形成了一層具有較高的強(qiáng)度和較好潤(rùn)滑作用的保護(hù)層,從而顯著降低了PA46/PPOG/FZrP復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損體積。(3)研究了聚氨酯包覆處理的碳纖維(PCF)對(duì)PA46/PPOG復(fù)合材料吸水性、力學(xué)性能、熱性能、摩擦磨損性能等的影響。研究發(fā)現(xiàn),PCF顯著提高了PA46/PPOG復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐磨性和耐熱性,在一定程度上使PA46/PPOG復(fù)合材料的導(dǎo)熱性提高,吸水性降低。與純PA46/PPOG相比,當(dāng)PCF用量為40 wt%時(shí),復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別從81.9 MPa和127.3 MPa增加至282.5 MPa和411.6 MPa;磨損體積從12.4 mm~3下降為0.6 mm~3。當(dāng)PCF用量為20 wt%時(shí),PA46/PPOG復(fù)合材料具有最高的沖擊強(qiáng)度,從9.3 kJ/m~2增加至15.1 kJ/m~2。沖擊斷面SEM照片表明,PCF與PA46/PPOG基體具有良好的相容性和較強(qiáng)的界面相互作用,從而顯著提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。摩擦轉(zhuǎn)移膜的拉曼光譜(LRS)結(jié)果表明,摩擦過程中部分碳纖維發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變。摩擦過程中形成潤(rùn)滑保護(hù)層減少了摩擦面的直接接觸,降低了摩擦系數(shù),從而顯著提高了復(fù)合材料的耐磨性。差示掃描量熱分析(DSC)和熱失重分析(TGA)表明,PCF可以提高PA46/PPOG復(fù)合材料的結(jié)晶度和耐熱性。當(dāng)PCF用量?jī)H為10 wt%時(shí),復(fù)合材料熱變形溫度(HDT)即達(dá)到281℃,比純PA46/PPOG增加了110℃。(4)在PA46/PPOG中加入FZrP和PCF,通過雙螺桿擠出機(jī)熔融共混制備了低吸水性耐磨PA46/PPOG/FZrP/PCF復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn),同時(shí)添加FZrP與PCF顯著提高了PA46/PPOG復(fù)合材料的耐水性、力學(xué)性能、耐磨性和阻燃性。當(dāng)FZrP和PCF用量分別為2 wt%和20 wt%時(shí),復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別為240.0MPa,334.2 MPa和19.1 kJ/m~2;吸水率僅為1.53%;摩擦系數(shù)和磨損體積分別為0.23和6.4 mm~3;與PA46/PPOG相比,PA46/PPOG/FZrP/PCF復(fù)合材料的極限氧指數(shù)(LOI)從30.5%增加至42.0%,錐形量熱分析(CCT)起燃時(shí)間(TTI)從27 s延長(zhǎng)至40 s,熱釋放速率峰值(PHRR)由807.6 kW/m~2下降至278.1 kW/m~2。磨損表面SEM照片表明,FZrP對(duì)PCF的剝落和破碎起到良好的保護(hù)作用,使復(fù)合材料耐磨性增加。燃燒炭層的SEM、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、LRS和XPS等分析表明,復(fù)合材料在燃燒過程中,難燃碳纖維作為骨架支撐,FZrP可以有效催化PA46/PPOG成炭,從而有助于形成致密牢固的炭層,有效阻隔熱、氧氣和可燃?xì)怏w的傳輸,從而顯著提高了復(fù)合材料的阻燃性能。
【圖文】：

第一章 緒論納米復(fù)合材料的優(yōu)良基體[79]。最近關(guān)于 ZrP 的研究主要集中在功能應(yīng)用為催化劑、藥物載體、防銹劑、潤(rùn)滑劑、燃料電池等使用[80, 81]。許多文獻(xiàn)能夠在聚合物表面催化成炭和石墨化[82-85]。rP 由于其具有類似粘土的層狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有一些獨(dú)特的性質(zhì)，，比如制備度高、晶型好、結(jié)構(gòu)可調(diào)、高熱穩(wěn)定性等[86]，使其有望用于 PA 納米復(fù)合改善 PA 的強(qiáng)度、阻燃性和耐磨性等。已有部分研究者在這方面做了一些

幾種商業(yè)化的耐高溫尼龍之一，其高酰胺基團(tuán)含量性能，包括高結(jié)晶度、高熔點(diǎn)、高剛性、高耐熱和耐的應(yīng)用于現(xiàn)代汽車和電子電器領(lǐng)域。但因其吸水性強(qiáng)限制了其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大。結(jié)構(gòu)與性能thevs 早在 1938 年提出了 PA46 的合成方法并合成出直到 1985 年底，荷蘭皇家帝斯曼集團(tuán)（DSM）公司建地開發(fā)了工業(yè)化技術(shù)[142]。丁二胺與己二酸縮聚而成，化學(xué)名為聚己二酰丁二胺則地排列著四個(gè)亞甲基，結(jié)構(gòu)對(duì)稱。這種完全規(guī)整性行結(jié)構(gòu)和β-型單斜晶系的反向平行結(jié)構(gòu)，使得 PA46 1-2 所示:
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB332;TQ327.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2617413