聚合物基復(fù)合材料中無(wú)機(jī)組分表面性能反氣相色譜研究.pdf

1、復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬材料或金屬等幾類不同材料通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新型材料，具有單一材料所不具備的優(yōu)異性能。高分子復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能倍受人們的青睞，得到了飛速的發(fā)展，成為材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，并已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天、國(guó)防、民用生活等各個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)加入填料，尤其是功能性填料可以改善復(fù)合材料制品某些方面的性能，或賦予高分子復(fù)合材料制品全新的性能。
　　 反氣相色譜法(IGC)是一種十分有效的表征方法

2、，它可以較全面的了解材料表面的宏觀熱力學(xué)性質(zhì)，研究表面熱力學(xué)參數(shù)與表面的組成及形態(tài)的關(guān)系，它可以用于研究填充材料表面改性的效果，表征表面改性對(duì)聚合物復(fù)合材料的組成及形態(tài)的影響，從而預(yù)測(cè)填充材料與聚合物之間可能的相互作用；它可以表征材料的表面活性，從而為材料的使用、復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
　　 本論文的主要研究工作和結(jié)果如下：
　　 (1)采用IGC法表征了經(jīng)過(guò)化學(xué)改性的碳納米管的表面性能，通過(guò)對(duì)未改性的多壁碳納米管

3、(MWNTs)、用丙烯酸接枝改性的多壁碳納米管(PAA-g-MWNTs)和表面帶有羥基的多壁碳納米管(MWNTols)等三種碳管的表面熱力學(xué)參數(shù)的測(cè)試和計(jì)算，包括非極性表面能，表面極性吸附自由能、吸附焓和酸堿性參數(shù)等，定量表征了碳管的表面改性效果。研究結(jié)果表明碳管的表面經(jīng)過(guò)化學(xué)改性后與未處理的碳管相比，表面能的色散分量大大降低，表面極性基團(tuán)增加，這有利于防止碳管的自身吸附團(tuán)聚，加強(qiáng)與聚合物之間的界面作用。丙烯酸接枝改性后的PAA-g-M

4、WNTs，表面偏酸性，而羥基改性的MWNTols表面偏堿性。而碳納米管經(jīng)過(guò)化學(xué)改性后，表面帶有少量基團(tuán)的改性產(chǎn)物的表面性能很難用其他方法表征，如紅外(FTIR)等。
　　 (2)以甲酚為第二酚單體，氫氧化鎂為催化劑，在膨脹石墨的存在下，通過(guò)原位聚合合成了熱固性酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料，石墨片層均勻分散在高分子基體中。對(duì)材料電性能分析發(fā)現(xiàn)該體系中石墨剝離片層的逾滲閾值在3.2 wt％，當(dāng)石墨含量達(dá)到4wt％時(shí)，電導(dǎo)率達(dá)到1S/m，實(shí)現(xiàn)絕緣

5、體和導(dǎo)體的相互轉(zhuǎn)變。采用IGC法測(cè)試并計(jì)算了縮聚反應(yīng)前后石墨的表面熱力學(xué)性質(zhì)，包括非極性表面能、極性表面吸附自由能、吸附焓和酸堿性等參數(shù)的變化，研究酚醛樹(shù)脂和石墨的界面相互作用。結(jié)果表明縮聚反應(yīng)后石墨片層的非極性表面能下降，極性吸附自由能、酸堿性參數(shù)等大大增加，表明表面極性增強(qiáng)。這樣既降低了石墨自身的團(tuán)聚，又加強(qiáng)石墨與樹(shù)脂界面的相互作用，有利于石墨在樹(shù)脂中的分散，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使電導(dǎo)率提高。
　　 (3)采用浸漬法制備了不同

6、負(fù)載量的銠負(fù)載氫化β沸石(Rh/H-β-zeolite)，利用IGC法研究了氫化β沸石(H-β-zeolite)和Rh/H-β-zeolite的表面性能，測(cè)試計(jì)算了沸石的表面吸附自由能、吸附焓、極性和非極性表面能，以及與極性探針之間的極性相互作用參數(shù)。結(jié)果表明H-β-zeolite的表面吸附性能由于銠的負(fù)載而發(fā)生改變，負(fù)載后比表面積、吸附焓和非極性表面能都有所下降。銠的負(fù)載顯著增強(qiáng)了沸石對(duì)苯的吸附，由于這個(gè)特性，Rh/H-β-zeoli

7、te有望用于催化含苯的化學(xué)反應(yīng)和分離工程。
　　 (4)由于銠負(fù)載沸石與苯的特殊相互作用，我們?cè)O(shè)計(jì)將負(fù)載1.0％銠的β-沸石添加在PVC膜中，利用銠沸石對(duì)苯的選擇性吸附，以及沸石的巨大比表面積，用于滲透汽化法分離苯/環(huán)己烷混合溶液，提高膜對(duì)苯的選擇滲透性。論文詳細(xì)考察了了料液中苯的含量、沸石的添加量、沸石種類以及料液溫度對(duì)復(fù)合膜的分離性能的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)相同料液組成下，PVC/H-β-zeolite復(fù)合膜的選擇性高于PVC膜

8、，添加Rh/H-β-zeolite的復(fù)合膜的滲透汽化性能則高于添加H-β-zeolite的復(fù)合膜，這是由銠沸石對(duì)苯的選擇吸附引起。膜的滲透通量可以用Arrhenius定律表征，擬合得到添加Rh/H-β-zeolite的復(fù)合膜的滲透表觀活化能低于添加H-β-zeolite的復(fù)合膜。含7.0％的Rh/H-β-zeolite的復(fù)合膜具有最高的分離選擇性。當(dāng)沸石添加量低于7.0％時(shí)，隨著沸石的添加量增加，膜的通量降低，分離因子增加，這主要是由于