不同有机化蒙脱土对聚丙烯_蒙脱土纳米复合材料结构和性.pdf

Vol.29高等学校化学学报No.7
2008年7月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES1483～1487

不同有机化蒙脱土对聚丙烯/蒙脱土纳米
复合材料结构和性能的影响

江梅1,3,范家起2,王清国1,何平2,张明远1,漆宗能2,马永梅2,杨柏3
(1.中国第一汽车集团公司技术中心非金属研究室,长春130011;
2.中国科学院化学研究所分子科学中心新材料实验室,北京100080;
3.吉林大学化学学院,超分子结构与材料国家重点实验室,长春130012)

摘要采用不同的有机改性剂制备了三种含羟基极性基团、环氧基和不含极性基团的有机化蒙脱土,并与
混有少量马来酸酐接枝聚丙烯的聚丙烯基体进行复合,制备了聚丙烯粘土纳米复合材料.采用X射线衍射
仪、透射电子显微镜、热分析仪、示差扫描热分析仪和力学测试仪对样品进行结构表征和力学性能测试.探
讨和比较了不同有机化蒙脱土对聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料结构和性能的影响.结果表明,携带极性基团
的有机改性剂和马来酸酐接枝聚丙烯的强烈相互作用有利于有机化蒙脱土在复合材料中的插层、剥离和稳
定性,由此形成的聚丙烯粘土纳米复合材料具有更高的结晶度,其力学性能的提高也更为显著.
关键词聚丙烯;纳米复合材料;有机化蒙脱土
中图分类号O631文献标识码A文章编号025120790(2008)0721483205

自20世纪90年代以来,聚合物/粘土纳米复合材料因其优异的性能而引起人们的广泛关注[1].常
用的粘土为蒙脱土,它是一种层间吸附有金属阳离子的层状结构的硅酸盐,插层剂通过离子交换作用
进入片层之间,使片层间距增大,然后聚合物通过插层复合进入层间,形成插层型或剥离型的纳米复
合材料.常用的插层剂为碳链数大于12的烷基铵盐,插层剂的作用是增加片层间距,减小无机片层的
表面能并增加其对聚合物基体的浸润性.同时,插层剂最好含有可与聚合物反应或强烈作用的官能
团,以增加无机片层与聚合物间的界面强度.经插层剂或其它有机分子处理过的蒙脱土被称为有机化
蒙脱土[2].
插层过程的热力学和动力学是聚合物/粘土纳米复合材料理论的核心问题.以平均场模型对熔体
插层过程的热力学分析结果表明,聚合物与粘土的相互作用能是决定复合材料结构的主要因素[3,4];
而熔体插层过程的“扭折(Kink)模型”则说明,在剪切力的作用下,粘土片层的边缘会被扭曲,间距增
大,聚合物进入片层间新增加了空间,然后整个片层逐渐被撑开,更多的聚合物分子链插层进入片层
空间.因此,大的粘土片层间距有利于插层或剥离结构的形成[5].最近的研究结果表明,粘土片层间
的作用力与片层间距紧密相关,当粘土片层间距小于一定值时,片层间的作用能甚至比碳碳单键的键
能还要大,这意味着聚合物在插层之前就会分解,并且在动力学上,片层间距也影响聚合物分子链在
粘土片层间的扩散速度,因此,粘土片层间距也是插层过程的重要参数[6].
聚烯烃是产量最大且应用范围最广的一类聚合物.工业上生产改性聚丙烯材料一般采用熔融共混
方法.但与尼龙等强极性聚合物不同,非极性的聚丙烯与粘土的作用力较弱,需要引入接枝物作为相
容剂,粘土片层间距的影响可能会更为明显.有机改性剂中如果含有可与聚合物反应的官能团,则对
提高粘土片层与聚合物链的相互作用有利.Tang等[7]考察了不同用量的同一种插层剂所制备的粘土
片层间距的变化对马来酸酐接枝聚丙烯/蒙脱土纳米复合体系的影响,发现过量的插层剂导致的层间

收稿日期:2007211209.
基金项目:国家“九七三”计划专项基金(批准号:2005CB623800)资助.
联系人简介:马永梅,男,博士,副研究员,主要从事高分子材料及纳米复合材料研究.E2mail:[e-mail]
江梅,女,高级工程师,主要从事高分子复合材料及其在汽车上的应用研究.E2mail:[e-mail]

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距的增大对于插层过程反而不利.在聚苯乙烯体系中也观察到了类似的现象,这是由于过量的插层剂
吸附在层间导致类固态转变所致,对于并非由于插层剂所致的层间距增大的情形是否适用还有待考
察[8].而同时考虑到层间距与极性的变化对粘土插层复合过程的影响还少有报道.
本文制备了几种层间距不同的含有或不含极性(羟基和环氧基)基团的有机化蒙脱土,以马来酸酐
接枝聚丙烯作为相容剂,通过马来酸酐基团与有机改性剂的羟基或环氧基的相互作用,形成聚丙烯粘
土纳米复合材料,探讨和比较了它们对聚丙烯/蒙