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聚合物基纳米复合材料及织物增强纳米复合材料的制备及性能研究

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聚合物基纳米复合材料由于其独特的性能，如力学、摩擦学以及电、热、光学性能等，已被广大学者广泛的研究。而以聚合物基纳米复合材料为基体、连续纤维织物作为增强体制备的织物增强纳米复合材料，不仅具有纳米复合材料优异的性能，还具有织物增强复合材料高比强度、高耐磨性和高耐热性等优点。本文选用了不同的纳米填料(如纳米氧化硅、纳米氧化铝、凹凸棒土和碳纳米纤维)分别填充改性各种聚合物基体，包括热塑性塑料聚甲醛以及热固性树脂环氧树脂，使用各种制备方法(如原位聚合、直接共混法以及溶液浇铸法)制备了纳米复合材料，分别研究其力学、摩擦学以及电学性能。之后，使用聚合物纳米复合材料作为基体，连续纤维织物(聚酯纤维织物)作为增强体，使用手糊成型的方法制备了织物增强纳米复合材料，研究其力学及摩擦学性能。本文具体研究工作及结果如下：
　　1.以三聚甲醛和1，3-二氧戊环为单体，使用阳离子开环原位聚合法制备了SiO2/共聚甲醛纳米复合材料。纳米粒子在共聚甲醛基体中达到了纳米级的分散，并且分散均匀，无机相与有机相之间无明显的界面层，纳米粒子很好地包覆在共聚甲醛基体中。由于纳米氧化硅表面的活性点能够吸附1，3-二氧戊环单体，因此改变了阳离子聚合反应的机理。纳米粒子的存在一方面充当了成核剂，加快了结晶并且降低了微晶尺寸；而另一方面其又造成了片晶扭曲状的生长，破坏了球晶的对称性。
　　2.采用双螺杆挤出机熔融挤出法，制备了无机纳米Al2O3粒子填充改性聚甲醛(POM)纳米复合材料。结果发现POM/Al2O3纳米复合材料的干摩擦性能有所下降，但油润滑性能却得到了显著提高，这是由于在摩擦过程中脱落下来的纳米粒子，可以随着润滑油的流动分散到摩擦面的各个部位，填平磨痕，使转移膜薄且均匀，因此降低了磨损量和摩擦系数；而不像在干摩擦试验中那样仅仅滞留在两个对磨面间而加快了磨粒磨损。9wt％为纳米粒子的最佳填充量。纳米复合材料的摩擦系数随着载荷的增加呈先降低后增大的趋势，摩擦系数在245N载荷时达到最低；而磨损量随着载荷的增加而增加。
　　3.在聚甲醛中同时加入纳米粒子和固体润滑剂聚四氟乙烯和二硫化钼(PTFE/MoS2)，同样使用双螺杆挤出机熔融共混法制备纳米复合材料。结果发现POM/PTFE/MoS2/Al2O3纳米复合材料具有最好的力学及摩擦学性能，原因是纳米粒子与PTFE/MoS2发生了协同效应：a.对于力学性能，纳米粒子能够提高分子链间的相互作用，而PTFE增强了有机(POM基体)-无机相(纳米粒子和MoS2)间的相容性。b.对于摩擦学性能，PTFE/MoS2促进了转移膜的形成，而纳米粒子增强了转移膜与对偶面的相互作用。
　　4.使用溶液浇铸方法制备了不同碳纳米纤维(CNF)含量的CNF/环氧树脂(EP)纳米复合材料。含有1wt％CNF的纳米复合材料具有很好的CNF分散性并且具有最高的拉伸强度。1wt％CNF/EP纳米复合材料也具有最大的储能模量。使用修正的Haplin-Tsai公式对纳米复合材料的杨氏模量和储能模量的实验数据进行了拟合，并加入了CNF团聚的影响因素，实验数据与理论数据具有较好的匹配。CNF/EP纳米复合材料的交流电导率随着CNF含量的增加具有典型的绝缘体-导体转变行为。含有0.058vol％CNF和0.578vol％CNF的纳米复合材料的导电率与纯环氧树脂相比分别增加了4个和10个数量级。纳米复合材料导电率的实验值遵循渗滤理论，并且所得渗滤阈值很低为0.057vol％。
　　5.使用手糊成型的方法制备了聚酯织物增强纳米粒子及PTFE改性环氧树脂基复合材料(PFNC)。纳米粒子与PTFE也发生了协同效应，导致：a.EP/PTFE/Al2O3/PFNC的纤维-基体界面粘结强度最大，然而太强的界面粘结性能却不利于拉伸性能的提高，反而使织物增强纳米复合材料变脆；b.环氧树脂基体耐磨性的提高，使基体对于织物增强纳米复合材料的耐磨性发挥了更重要的作用，因此整个复合材料耐磨性提高。然而织物增强纳米复合材料的摩擦系数却要高于相对应的织物增强复合材料。
　　6.同样使用手糊成型的方法制备了聚酯织物增强凹凸棒土(ATP)及PTFE改性环氧树脂基复合材料。结果表明经过表面有机处理的ATP纳米棒与环氧树脂基体间发生了共价键的作用，能够促进应力从环氧树脂基体转移到ATP棒上；此外，纳米粒子的存在增强了纤维-基体界面粘结强度，同样有利于应力转移，因此织物增强纳米复合材料的拉伸性能得到了提高。填料总含量有个临界值16wt％，超过这个值填料会发生严重的团聚，从而使拉伸强度急剧降低。但低于16wt％，填料的总含量对织物增强复合材料的拉伸强度影响很小。ATP：PTFE=1:1为最佳的ATP与PTFE相对含量比值。

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