高性能功能型聚氯乙烯复合材料的制备与研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：高性能功能型聚氯乙烯复合材料的制备与研究作者：程博学科专业：材料学指导教师：齐暑华教授2017年6月Title:Preparationandresearchofhighperformanceandfunctionalpoly(vinylchloride)compositesByChengBoUndertheSupervisionofProfessorQiShu-huaADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversi

2、tyInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMaterialScienceXi’anP.R.ChinaJune2017摘要摘要聚氯乙烯（PVC）树脂力学性能优良，耐化学腐蚀，阻燃，电绝缘性优异，且价格低廉，原料易得，制备简单，加工工艺成熟，在工业生产中得以广泛应用。近年来，PVC的使用仍然呈现逐渐升高的趋势。除传统工业应用外，在抗静电材料、半导体元件、微电子设备、吸波材料、电磁屏蔽、导热材料、组织工程等领域对其提出新的应用需求。但PVC耐热性差、韧

3、性低，缺乏功能特性，阻碍其应用范围的进一步扩大。本论文针对PVC存在的弱点，通过种子乳液聚合、超声剥离、化学镀、水热反应等方法，制备六种改性填料以改善其性能。首先，研究制备耐热改性剂聚（N-苯基马来酰亚胺–丙烯腈–苯乙烯）（PNAS）共聚物和耐热增韧改性剂聚丙烯酸丁酯/聚（N-苯基马来酰亚胺–丙烯腈–苯乙烯）共聚物（PBA/PNAS），与PVC复合以改善其耐热性能和力学性能；同时，研究制备导电改性填料纳米石墨微片、镀银碳纤维，以及吸波改性填料镀镍碳纤维和二氧化钛（TiO2）/镍铁氧体（NiFe2O4）/空心玻璃微球（HGM

4、）复合材料，与PVC复合以赋予其一定的导电性和吸波性能，制备具有优异耐热/力学性能的PVC材料和功能型PVC材料。从而扩大其应用范围，降低材料成本，具有重要的理论意义和实用价值。为提高其耐热性，以N-苯基马来酰亚胺（NPMI）为耐热主单体、丙烯腈（AN）为极性单体、苯乙烯（St）作为加工流动改性单体，采用种子乳液聚合的方法制备PNAS乳液。PNAS胶乳颗粒呈规则圆球状，平均粒径155nm~250nm，尺寸分布均匀（PDI<0.015），玻璃化转变温度（Tg）为132.8℃，并与PVC具有优异的相容性。PNAS乳液直接与PV

5、C共混，经乳化、干燥、混炼、模压制备PVC/PNAS复合材料。结果表明：PVC/PNAS具有单一的Tg，表明二者之间极佳的相容性，PNAS含量为50wt%时，PVC/PNAS的Tg升高至107.2℃，相比纯PVC的Tg（84.8℃）升高了22.4℃；随着PNAS含量增大，复合材料拉伸强度逐渐升高，冲击强度则先升高后降低，最大拉伸强度为58.5MPa，相比纯PVC升高47.0%，-2最大悬臂梁冲击强度为6.1kJ·m，相比纯PVC升高27.1%。为进一步提高PVC的抗冲性能，采用两步种子乳液聚合法制备部分交联的PBA为核层、

6、耐热PNAS共聚物为壳层的PBA/PNAS核壳结构乳液。PBA/PNAS胶乳粒子呈规则圆球状，平均粒径130nm~190nm，尺寸分布均匀（PDI<0.023），具有典型核壳结构且壳层与PVC具有极佳相容性。PBA/PNAS乳液与PVC复合，经乳化混合、干燥、混炼、模压制备PVC/PBA/PNAS复合材料。研究结果显示：PVC/PBA/PNAS室温以上具有单一的Tg，且随着PBA/PNAS含量的增大而升高，PBA/PNAS用量为50wt%时，Tg达到最大值103.3℃，相比纯PVC的Tg升高了I西北工业大学博士学位论文18

7、.5℃，热稳定性也有所升高。此外，随着PBA/PNAS用量增大，复合材料拉伸强度和冲击强度均逐渐升高，PBA/PNAS用量为50wt%时，最大拉伸强度为-270.2MPa，相比纯PVC升高76.4%，最大悬臂梁冲击强度为41.3kJ·m，相比纯PVC升高了7.6倍。为赋予PVC材料一定的导电性能，拓展其作为抗静电/半导体材料的应用。将可膨胀石墨经高温膨胀、超声水浴处理制备纳米石墨微片（Nano-Gs）。Nano-Gs3的电导率为9.06×10S/cm，作为导电填料在PVC中的渗滤阈值为6wt%。含量为310wt%时，PVC

8、/Nano-Gs复合材料体积电阻率达到最低值1.82×10Ω·cm，相比纯PVC降低12个数量级；此外，采用化学镀制备镀银碳纤维（Ag/CF），并将3其与PVC复合制备PVC/Ag/CF导电复合材料，Ag/CF的电导率为7.62×10S/cm，3在Ag/CF用量为20wt%时，复合材料体积电阻率达到最低