超高分子量聚乙烯_纳米纤维素复合材料结构与性能的研究

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1、硕士学位论文超高分子量聚乙烯/纳米纤维素复合材料结构与性能的研究作者姓名李迎春学科专业材料加工工程指导教师何慧教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年5月StudiesonstructureandpropertiesofUHMWPE/CNCcompositesADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate:LiYingchunSupervisor:Prof.HeHuiSouthChinaUniversityofTechnologyGuan

2、gzhou,China分类号:TQ学校代号:10561学号:201520115650华南理工大学硕士学位论文超高分子量聚乙烯/纳米纤维素复合材料结构与性能的研究作者姓名：李迎春指导教师姓名、职称：何慧教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：材料加工工程研究方向：高分子材料改性及成型加工论文提交日期：2018年5月1日论文答辩日期：2018年5月29日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：刘芳教授委员：何慧教授、王小萍副教授、朱立新副研究员、陈勇军高级工程师摘要超高分子量聚乙烯

3、（UHMWPE）是一种综合性能优异的热塑性工程塑料，其制品广泛应用于各个领域。然而，UHMWPE也存在加工性能差、表面硬度低、热变形温度低、耐磨粒磨损性能差等不足，这些不足限制了UHMWPE的应用。纤维素是自然界最为丰富的高分子材料之一，纳米纤维素（CNC）来源于天然纤维素，具有比表面积大、结晶度高、强度高、可降解可再生等特性，因而在高性能环保复合材料的应用中具有极大的潜力。本论文在采用聚乙二醇（PEG）和高密度聚乙烯（HDPE）改善UHMWPE加工性能的基础上，利用酸水解法、溶胶-凝胶法以及超声-湿法共

4、混技术制备了纳米纤维素及其有机-无机杂化体，通过纳米填料对UHMWPE进行改性，系统地研究了纳米复合材料的加工性能、力学性能、热性能以及摩擦学性能。首先研究了PEG对UHMWPE性能的影响，结果表明，PEG能在UHMWPE基体中起到解缠和润滑的作用，随着PEG用量的增大，材料加工性能改善的同时力学性能受损。在此基础上，采用HDPE改性UHMWPE/PEG，结果表明，由于HDPE本身良好的加工性以及与UHMWPE的相容性，随着HDPE用量的增大，材料的加工性能得到改善，但同时摩擦学性能降低，其力学性能在UH

5、MWPE/HDPE为60/40时最优。通过硫酸水解微晶纤维素（MCC）制备了CNC，其外观呈针状，长度约200nm，直径约10nm，结晶度为73.9%。利用溶胶-凝胶法制备了一维-零维纳米纤维素-纳米二氧化硅杂化体（CNC-SiO2），透射电镜和红外光谱分析表明直径为20-30nm的SiO2通过与CNC的相互作用（共价键和氢键）紧密地吸附在CNC上形成了特殊的“串珠结构”；热重分析表明杂化体的热失重5%、热失重10%温度和最大热失重温度分别比CNC提高了3.7%、6.48％和11.70％。采用CNC和CN

6、C-SiO2杂化体填充改性UHMWPE/PEG复合材料。结果表明，CNC和CNC-SiO2杂化体的加入会降低材料的加工性能，但毛细管挤出不会出现压力振荡。CNC-SiO2杂化体对UHMWPE/PEG复合材料的力学性能、耐热性能以及减磨耐磨性能的改性效果优于CNC，4份杂化体的加入使材料的弯曲强度、弯曲模量和硬度分别提高了27.2%、82.4%和21.0%，摩擦系数、磨痕宽度和磨损体积分别下降了43.3%、18.9%和21.2%。杂化体与聚合物基体的界面结合更好，相界面更模糊。I通过超声-湿法共混技术能将C

7、NC有效地插层到蒙脱土（MMT）片层中，红外分析表明，CNC和MMT通过一定的相互作用（氢键、共价键和配位作用）形成了一维-二维CNC-MMT杂化体；透射电镜表明CNC-MMT杂化体中尺寸约为100nm的MMT片层大都吸附于CNC上，仅少数单独存在；热重分析表明杂化体的热失重5%温度、热失重10%温度和最大热失重温度分别提高了20.4%、11.3%和6.6%。研究了CNC和CNC-MMT杂化体对UHMWPE/HDPE/PEG复合材料性能的影响。结果表明，CNC的加入降低了材料的加工性能，但CNC-MMT杂

8、化体则对其影响不明显。CNC和CNC-MMT杂化体的加入使复合材料的力学性能先增大后减小，纳米填料用量为3份时最佳。随着CNC和CNC-MMT杂化体用量的增大，复合材料的耐热性能和摩擦学性能逐渐改善。杂化体对复合材料的改性效果优于CNC，杂化体与聚合物基体的界面结合更紧密，4份杂化体使复合材料的弯曲模量和硬度分别提高了64.3%和30.2%，摩擦系数、磨痕宽度和磨损体积分别下降了32.1%、22.3%和29.7%。关键词：UH