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偶联剂对聚丙烯/鳞片石墨复合材料的影响
偶联剂对聚丙烯/鳞片石墨复合材料的影响
随着世界经济的高速发展，大部分国家面临淡水资源短缺的问题，作为世界上13个贫水国之一，淡水紧缺严重阻挠了国家经济的持续快速发展，因此淡水紧缺是其中嗜好解决的问题。海水淡化是现有补充淡水资源最有效的措施之一，在一定条件下可快速满足目前工业用水，生活用水的需求。降膜蒸发器是海水淡化过程中的常用设备，目前常用的降膜蒸发器都采用金属材料，在海水淡化过程中会存在腐蚀，结垢，检修复杂，维护成本高等问题。为提高海水淡化。效率，降低成本，最有效途径就是开发聚合物基新型复合材料来替代金属材料。目前研究的是聚丙烯（PP）/石墨（FG）复合材料，但PP与FG的相容性差，难以混合均匀，导致复合材料的性能不佳。为了改善PP与FG之间的相容性，提高复合材料的性能，对FG进行表面改性处理是十分必要的。 偶联剂是一种应用广泛，具有特殊结构的复合材料助剂，其一端具有能够与无机填料发生某种化学键合作用和牢固结合在一起的活性基团，另一端具有能够与聚合物发生物理缠结或化学反应的活性基团，这样结合剂就可以将填料与聚合物紧密地连接在一起，改善填料与聚合物间的界面，从而有效地提高复合材料的性能。众多研究人员都曾使用互连剂对复合材料进行改性。李明等用掺杂剂改性白炭黑后填充聚丙烯发现：与改性改性的复合材料分类，使用经串联剂改性的白炭黑制备的复合材料具有更高的冲击强度。偶联剂用量的增加，复合材料的冲击强度先增加后降低。Lety等研究了偶联剂对PP /竹纤维复合材料性能的影响，发现偶联剂的使用能够提高复合材料的热稳定性。使用偶联剂提高复合材料性能的报道还有很多，但是却鲜有详细地使用偶联剂对FG进行改性处理的报道。 为改善PP与FG的相容性，提高PP / FG复合材料的性能，笔者通过使用联结剂对FG进行处理，优选了联结剂的种类和用量，考察了取代剂种类和用量对PP / FG复合材料力学性能，热导率和热性能的影响，在高FG填充量的情况下，制备了具有较好力学性能和热性能的PP / FG复合材料，此复合材料在未来有望替代金属材料聚碳酸酯降膜蒸发器。 FG ：碳含量99％ ，粒径为：17 〜37 μ米，河北翱腾贸易有限公司; PP ：230 ＃，粉末状，熔体流动速率（MFR）为24.5 g / 10 min ，拉伸屈服强度31 MPa ，茂名实华东成化工有限公司； PP ：K4038 ，颗粒状，台湾化学纤维股份有限公司； 聚酰胺偶联剂：KH–560 ，KH–570 ，鼎海塑胶化工有限公司； 钛酸酯添加剂：NDZ–101 ，NDZ–201 ，鼎海塑胶化工有限公司； 抗氧剂：1010 ，PLM–168 ，阿拉丁试剂公司; 双辊开炼机：ZG–180型，东莞市正工机电设备科技有限公司;
电热鼓风干燥箱：101–3AB型，天津市泰斯特仪器有限公司; 平板硫化机：ZG–200T型，东莞市正工机电设备科技有限公司; 万能制样机：WZY–240型，承德市衡通试验检测仪器有限公司; 热常数分析仪：TPS–2500S型，瑞典Hot Disk有限公司; 万能试验机：104C型，深圳万测试验设备有限公司; 热重（TG）分析仪：TGA–Q50型，美国Waters公司; 差示扫描量热（DSC）仪：DSC214型，耐驰仪器商贸（上海）有限公司。 使用无水乙醇将烷基化剂溶解后与FG混合均匀，放入140 ℃烘箱干燥。然后称取一定量的PP ，硬脂酸锌，抗氧剂与处理后的FG使用高速粉碎机预混合，最后经开炼机混炼，平板硫化机模压制得PP / FG复合材料。 测试标准：GB / T1040.1–2006 ，选1B型片断，用电子引伸计测量应变；测试样条尺寸170 mm × 10 mm × （3 ± 0.2）mm ;试验速度：2 mm / min 。 测试标准：GB / T9341–2008 ；测试样条尺寸80 mm × 10 mm × （3 ± 0.2）mm ；试验速度：2 mm / min 。 热导率测试：采用热常数分析仪，按照GB / T 32064–2015进行测试，探头截面为3.189 mm ，测试温度25 ℃，试片尺寸：40 × 40 × （3 ± 0.2）mm 。 DSC分析：测试条件为氮气气氛，升降温速度20 ℃/ min 。 TG分析：测试条件为氮气气氛，升温速度20 ℃/ min 。 2 .1联结剂种类对PP / FG复合材料力学性能影响
经串联添加剂处理后的无机填料与聚合物有更好的相容性，能够有效地提高复合材料的力学性能。笔者选择两种偶联剂和两种钛酸酯取代剂对FG进行处理，当FG的含量为50％时，掺杂剂用量为FG含量的1％时，制备复合材料并测试其力学性能，试验结果见表1 。
由表1可研磨，除NDZ–101外，其他经过连续剂处理FG后制备的复合材料的拉伸强度与弯曲强度都有不同程度的提高，其中使用KH–570和NDZ–201处理FG制备的复合材料的力学性能提高明显，经两个双向代理商处理FG后，复合材料的拉伸强度较未处理过的分别提高了10.7％和12.3％，弯曲强度分别提高了1.8％和22.7％。另外，通过两种双向添加剂处理FG后的复合材料的弹性模量和应变也有明显提高，其中经过NDZ–201处理FG后的复合材料的拉伸应变达到最大的0.86％，弯曲弹性。模量达到了最高的11.12 GPa 。由以上分析可知，采用钛酸酯掺杂剂NDZ–201处理FG后制备的复合材料具有更好的力学性能，R– O–Ti–（O–X–R'–Y）n，使用钛酸酯偶联剂处理FG后，由于互连剂上特殊的基团作用可以使偶联剂充分浸润FG表面，因此极大地改善PP与FG的相容性; R'是钛酸酯偶联剂分子中的长链烷基，由于NDZ–201的分子链，其分子中的烷基链取代，所以能够与PP形成紧密紧密的缠结，从而提高复合材料的力学性能。 2 .2联结剂用量对PP / FG复合材料力学性能影响 由2.1可知，使用NDZ–201处理FG后制备的复合材料具有比使用其他联结剂更优异的力学性能。当FG的含量为70％时，改变NDZ–201用量，制备复合材料并测试其力学性能，试验结果如图1所示。
由图1发现，取代剂的用量显着地地着着复合材料的力学性能。交替插入剂用量的增加，复合材料的拉伸强度和弯曲强度都呈现先扩大后转变的趋势。当偶联剂用量为0.7％时，复合材料的拉伸强度达到33.1 MPa ，弯曲强度达到52.3 MPa ，与未添加偶联剂的复合材料分开分别提高了11.8％和3.0％，采用偶联剂从图1b可以研磨，通过连续添加剂用量的增加，复合材料的拉伸弹性模量先增加后降低，弯曲弹性模量则呈现。未添加的添加剂的复合材料的拉伸弹性模量和弯曲弹性模量分别为9.12 GPa和11.7 GPa ，当偶联剂用量为0.7％时，复合材料的拉伸弹性模量达到最大图9.98 GPa ，弯曲弹性模量降低到11.3 GPa ，此后继续增加的掺杂剂用量，复合材料的拉伸弹性模量和弯曲弹性模量都持续降低。由图1c可理解的，插入的添加剂量增加，复合材料的断裂拉伸应变先扩大后延伸，断裂弯曲应变持续延伸。依据互连剂的单分子层理论解释，由于在复合材料中添加适量的钛熔融添加剂后，在特殊基团的作用下，偶联剂充分浸润FG的表面，从而在填料表面形成一层分子层，增加了PP与FG的相互浸润性，提高了FG在PP中的分散性。结果表明，当掺杂剂的用量为0.7％时，其能够在PP与FG之间形成一层单分子层，此时的力学性能最佳。增加，PP与FG之间的偶联剂会持续增加，单分子层变为多分子层，这样就使得PP与FG之间更加容易滑移;另外一方面，随着钛酸酯偶联剂用量的增加，互连剂的长链烷基会在PP表面堆积，导致复合材料变得不均匀，从而使复合材料的力学性能下降。 2 .3联结剂用量对PP / FG复合材料热导率影响 在添加70％FG的条件下，更改NDZ–201在FG中的含量，制备复合材料并测试其热导率，试验结果见表2 。
由表2可知，使用掺杂剂处理FG后，复合材料的热导率都略低于未添加掺杂剂的复合材料。当NDZ–201用量为0.7％时，复合材料的热导率与未添加偶联剂的复合材料相比下降了2.14％。这是由于当偶联剂用量为0.7％时，偶联剂可以在PP和FG之间形成一层均匀的单分子层将FG包覆，导致复合材料内部难以形成完整的瞬态传递；同时由于互连剂的热导率极小，增加了复合材料的热阻，在一定程度上阻止了转变在复合材料中的传递，导致复合材料的热导率略有降低，但由于嵌入剂用量过多，形成的热阻膜很薄，所以对复合材料的热导率影响很小。 2 .4联结剂对PP / FG复合材料热性能的影响 为了进一步研究掺杂剂对复合材料的影响，对串联添加剂处理的FG与经过NDZ–201（用量0.7％）处理的FG制备的PP复合材料，分别进行DSC测试和TG测试，结果如图2 〜图3所示。 由图2中DSC曲线可知，未添加NDZ–201的复合材料的熔点167 ℃，添加NDZ–201的复合材料的熔点169 ℃，复合材料的熔点提高了2 ℃。
由图3中TG曲线可知，未添加NDZ–201的复合材料在质量损失10％时，其温度为476.36 ℃，添加NDZ–201的复合材料在质量损失10％时，其温度为479.22 ℃，较旧未添加NDZ–201的复合材料的温度提高了2.86 ℃。对比两种DTG曲线可知，未添加NDZ–201的复合材料在达到最大分解速度时的温度为485 ℃，添加NDZ–201的复合材料在达到最大分解速度时的温度为487.39 ℃，较早未添加NDZ–201的复合材料达到最大分解速度时的温度提高了2.39 ℃。以上结果表明，复合材料添加了NDZ–201后热稳定性更好。 （1）使用串联剂处理后的FG ，与PP的相容性得以改善，提高了PP / FG复合材料的力学性能与热性能，但复合材料的热导率略有下降，钛酸酯偶合联剂NDZ–201处理效果最好。
（2）由NDZ–201处理的FG制备的复合材料具有更好的力学性能。随着NDZ–201用量继增加，复合材料的拉伸强度，弯曲强度，拉伸弹性模量和断裂拉伸应变当NDZ–201的用量为0.7％，FG含量为70％时，复合材料的拉伸强度与弯曲强度分别达到的33.1 MPa和52.3 MPa 。 （3）添加NDZ–201后，复合材料的热导率略有降低，但影响不大，当NDZ–201用量为0.7％，FG含量为70％时，复合材料的热导率5.04 W / （ m·K）。 （4）添加NDZ–201改善了复合材料的热性能，当NDZ–201的用量为0.7％，FG含量为70％时，较未添加添加剂的复合材料的熔点提高了2 ℃；在质量上损失10％时的热分解温度提高了2.86 ℃。
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