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1、《纺织科学研究》9功能性纺织品及纳米技术应用PET/蒙脱土纳米复合材料的制备、结构与性能1122陈汉周,王延斌,杨宇,赵庆章(1.中国矿业大学资源与安全工程学院,北京100083;2.中国纺织科学研究院研发中心,北京100025)[摘要]通过对蒙脱土的有机化处理,利用DMT缩聚方法制备了PET/蒙脱土纳米复合材料,分析了蒙脱土的层间距变化及其在纳米复合材料基体中的分散状态,并测试了聚合物的结晶性能及力学性能。实验表明,采用二次插层法处理所得的有机蒙脱土能很好地分散于PET/蒙脱土纳米复合材料基体中,所得复合物的结晶性能与力学性能都有不同程度
2、的提高。[关键词]聚乙烯吡咯烷酮(PVP);蒙脱土(MMT);纳米复合材料;二次插层[中图分类号]TS10118[文献标识码]A[文章编号]100321308(2004)04200092051引言[1]纳米复合材料的概念最早是由RustunRoy于1984年提出的,它是指分散相尺寸至少在一维方向上小于100nm的复合材料。由于纳米分散相具有较大的表面积和强的界面相互作用,因而纳米复合材料在力学性能和结晶性能等方面,表现出不同于一般宏观复合材料的性能。纳米复合材[2]料的性能与其制备方法密切相关,用常规方法制备的聚合物纳米复合材料,由于存在纳
3、米粉自身的团聚,使其难以在高粘度聚合物基体中均匀分散,以及无机分散相与有机聚合物基体间的界面结合弱的缺点,因而抑制其性能提高。而插层复合方法是制备高性能复合材料的有效手段之一,它是[3]将高分子插层到具有层状结构的填料中,如蒙脱土、云母、蛭石等硅酸盐。蒙脱土(MMT)是由1++2+2++nm厚的硅酸盐片层中间、吸附有可交换的K、Na、Ca、Mg、Cs等离子组成,片层之间的距离[4]一般在0.96～2.10nm之间变化。高分子插层进入其中的硅酸盐片层之间,可使片层之间距离扩大,进而导致其层板剥离,造成高分子与蒙脱土能够在纳米量级上进行复合,从
4、而使材料的力学性[5～6]能、热学性能较一般的微米复合材料更为优异。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)具有优良的热性能和机械性能,可以应用于合成纤维、薄膜和工程塑料等领域。但是若将PET作为工程塑料使用时,其缺点是抗冲击性能差,结晶速率慢,使其加[7]工困难,因而限制了其作为工程塑料的广泛应用。因此,提高其抗冲击性能和结晶速率具有非常重要的意义。虽然采用醇胺离子对蒙脱土进行一次插层,再用所得有机土进行聚合,制备出的复合材料的力学性能与结晶速率都有所提高,但实验中发现,聚合物中的蒙脱土并没有完全剥离,有机土的分散也并不均匀,这就抑制了复合材料的力
5、学与热学性能的提高。本文在醇胺离子对蒙脱土进行一次插层的基础上,通过采用极性聚合物聚乙烯吡咯烷酮[收稿日期]2004209227;[修订日期]2004211203102004年第4期[8](PVP)进行二次插层,使蒙脱土的层间距进一步增大。将两次处理后的蒙脱土添加到聚酯中,制备了纳米复合材料,并对其进行了结构与性能的研究,希望能为其进一步的应用提供一定的理论和实验依据。2实验部分2.1主要原料钠基蒙脱土,工业级,河北张家口粘土厂,阳离子交换容量为90mmol/100g土,粒度<2μm;对苯二甲酸二甲酯,工业级,天津石化厂生产;乙二醇,工业级
6、,北京燕山石化厂生产;聚乙烯吡咯烷酮,粉状固体,北京化工原料公司提供。2.2样品的制备2.2.1有机化蒙脱土的制备称取一定量的蒙脱土,用去离子水配制5%的溶液,再称取适量的醇胺离子和质子化剂,分别滴加到搅拌状态下的蒙脱土溶液中;搅拌4～5h后,将该溶液(一次插层溶液)抽滤,滤饼真空干燥,并研磨成粉末,得到的样品为一次插层的有机蒙脱土。用去离子水配制5%的PVP溶液,滴加到上述没有抽滤的一次插层溶液中;搅拌4～5h后抽滤,滤饼真空干燥,并研磨成粉末,得到的样品为二次插层的有机蒙脱土。2.2.2PET/蒙脱土纳米复合材料的制备按一定摩尔比将对苯
7、二甲酸二甲酯和乙二醇加入到聚合反应釜中,在酯化催化剂作用下于165～200℃进行酯交换反应,反应完全后,加入催化剂三氧化二锑在200～280℃进行缩聚反应,并在缩聚前期阶段加入经处理的有机土,在中期220～250℃抽低真空,以除去过量的乙二醇,后期250～280℃抽高真空。反应结束出料、造粒。2.3样品表征2.3.1X2射线衍射(XRD)为了测量插层前后蒙脱土的层间距变化以及复合材料中蒙脱土的分散情况,用日本理光D/max2RA型衍射仪连续扫描,测试条件:Cu靶辐射(λ=11540598!)管电压40kV,管电流60mA,扫描速度为2°/m
8、in。2.3.2差示扫描量热仪(DSC)为了观察样品的结晶过程,样品在563K熔融5min消除历史记录后,迅速投入干冰—丙酮溶液淬火,制得样品;以10℃/min的升温速度,观察样
