pmma2f埃洛石纳米复合材料的制备与 机械性能分析

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1、第一章绪论体中引入负电荷，同时原位添加内表面带有正电荷的HNTs，拟利用正负电荷间的静电相互作用，制备PMMA/HNTs复合微球并制成纳米复合材料，研究阴离子单体的引入对纳米复合材料的性能影响。在整个制备过程中，HNTs不需要表面改性或其他方法处理，缩短纳米复合材料的制备周期，使得制备过程简单易操作。同时，通过改变反应物添加量的相对比例，研究甲基丙烯酸甲酯（MMA）、阴阳离子单体和HNTs之间比例关系对纳米复合材料机械性能的影响，以期获得使PMMA达到最佳增强增韧效果的MMA/离子单体/HNTs配比。并探索离子单体种类对纳米复合材料结构和性能的影响。1.2天然无

2、机纳米管——HNTsHNTs是一种天然的粘土矿物，也被人们称为变高岭石。它是一种结晶良好，价格低廉的天然纳米管，1826年Berthier在文献中最先描述了埃洛石（Halloysite），将在比利时地区石炭系灰岩中发现的这种矿物质命名为埃洛石（Halloysite），以此纪念埃洛石的第一发现者Omaliusd’Halloy[15]。通常，HNTs被作为制造高质量白色陶器的材料[16]。近些年来，HNT渐渐被用作纳米模板或纳米尺寸的反应器来取代碳纳米管（CNT）或者氮化硼纳米管(BNNT)[17,18]。现在也有研究者开始尝试使用HNTs作为纳米惨杂相与高分子材料

3、结合以得到优越性能的纳米复合材料。研究发现，通过在高分子材料中加入HNTs，复合材料的热稳定性与阻燃性能都得到相当大的提高。1.2.1HNTs的结构和性质埃洛石的分子式为Al2Si2O5(OH)4·nH2O，n等于0或2，分别代表了层间距为7Å（1Å=0.1nm）和10Å的埃洛石，即埃洛石和水化埃洛石，是1:1二八面体高岭土系矿物，其结构和化学组成与常见的高岭土、地开石、珍珠粉极其相似，常为管状结构，由铝氧八面体层和硅氧四面体层晶格错位卷曲成管[19]。HNTs的中空管状结构是形态完整的，不封端、无卷曲破裂现象，为天然多孔纳米晶体材料，其晶体结构如图1-1所示。

4、HNTs的长度范围为0.5-3.0μm，外径的范围为50-70nm，内径的范围为15-30nm。在常用的管状纳米材料中，碳纳米管（CNTs）具有内表面光滑及孔结构分布均匀的特点，而HNTs的内表面可以说不是很均匀，存在一定的宽窄周期变化区域，这是它独特的结构特点。在化学性质方面，HNTs的外表面类似于二氧化硅，而内表面则取决于氧化铝的性质，Zeta电位测试表明，在pH值为6-7时，HNTs管内壁带正电性，管外壁显微弱的负电性[20,21]。Guimaraes[22]等采用电荷自洽密度泛函紧束缚（SCC-DFTB）方法系统地计算了单壁HNT的结构模型，如图1-2所

5、示，主要计算了HNT2第一章绪论的结构特征、应变能、杨氏模量和能带隙等。分析得出HNT的应变能比碳纳米管还要大，其杨氏模量也与丝状铝英石、CaS在同一个数量级，很好地说明HNTs是一种良好的力学材料。HNTs作为常见的纳米填料，可以填充到聚合物中制成复合材料[23-28]，可提高纳米复合材料的力学性能、热稳定性和阻燃性能。Al-OH的存在使得HNTs有望成为优良的梯度材料，可以与多种物质链接在一起，从而达到良好的改性效果。图1-1HNTs的晶体结构图1-2单壁HNT的结构与截面图HNTs的外表面与二氧化硅相似，同其它纳米粒子一样，表面都存在有不同键合状态的羟基和

6、不饱和残键，以及偏离了稳态的硅氧结构。HNTs表面主要存在三种不同类型的羟基：隔离羟基，相邻羟基以及双羟基。隔离羟基主要存在于脱除水分的HNTs表面；相邻羟基存在于相邻的硅原子上，对极性物质的吸附作用极其重要；双羟基是指在一个硅原子上同时连有两个羟基。相比于二氧化硅，3第一章绪论HNTs较易在聚合物基体中分散，这主要是归于以下几个原因：①从形态上看，HNTs具有长且直的管状结构，即具有合适分散的长径比；②表面的羟基密度较低；③特殊的表面电荷分布；④独特的结晶结构。因此在聚合物复合材料中HNTs能获得某种程度的均匀分散，但是分散状况仍不理想，往往在聚合物复合材料中

7、HNTs团聚体和单管分散的HNTs并存，有些HNTs团聚体尺寸还很大（几十微米）。这是因为HNTs管端和表面含有大量羟基，导致HNTs是一种极性较强的矿物，表面作用增强，较易团聚，在非极性的有机聚合物基体中难以良好分散和浸润，界面结合力弱，严重影响其使用效果。因此，增强HNTs与有机聚合物基体之间的界面结合能力，促进HNTs在基体中的均匀分散，对提高聚合物纳米复合材料的性能有着至关重要的影响[29]。为了改善HNTs在非极性的有机聚合物基体中的分散性和相容性，研究者们通常采用物理分散和化学分散的方法使HNTs更好地分散在聚合物中。纳米填料的物理分散方法可分为两种

8、，即机械力分散和超声波分