1、 1 毕业设计 开题报告 高分子材料与工程 聚丙烯 /碳纳米管复合材料的光稳定性研究 一、选题的背景、意义 聚丙烯作为通用塑料，具有物理性能优异、成型加工容易、密度小等优点，广泛应用于各个行业中。聚丙烯因其价钱低廉，在塑料工业中占着越来越重要的位置。但由于聚丙烯是非极性高聚物其染色性、粘结性、低温脆性低等性能都较差，这就限制了聚丙烯的进一步应用。 理论研究表明，纳米材料可以大幅度地提升聚合物材料的性能。而碳纳米管自发现以来，许多研究表明 CNTs 具有独特的结构，优异的力学性能、电学性能、化学性能。如，具有 极高的强度、韧 性、弹模量及其纳米尺寸和极大的长径比，使其有望成为复合材料理想的增强体
2、。同时，其优良的电导率、热导率、化学稳定性和热稳定性，也可能使复合材料多功能化 1。 为了拓展聚丙烯的应用范围，利用碳纳米管改性聚丙烯塑料，是一种行的尝试。利用碳纳米管的综合性能，来改性聚丙烯的性能，使得能够成为一种高性能的塑料新品，可能提高其性能进一步扩大其应用范围。 二、相关研究的最新成果及动态 聚丙烯（ PP）是一种性能优良的热塑性合成树脂，具有优良的刚性、高的热变形温度、易成型加工，电绝缘性和卓越的耐折叠性。因而广泛地应用于工业 制品、日用品、包装膜、纤维、涂料等领域 2-4。在五大通用塑料中，产量仅次于聚乙烯和聚氯乙烯，国内消费量仅次于聚乙烯位于第二位。但 PP 也存在着韧性差，对缺
3、口敏感、不耐磨、成型收缩率大灯缺点。 随着熟料工业的迅速发展和人们对高附加值产品需求量的增加， PP 工业需要调整产业结构，开拓新的应用领域 5-8，增加新型高性能的品种、牌号，大力研究开发 PP 改性技术和 PP 改性产品，促使 PP 向工程塑料及功能材料方向发展。 近年来，用碳纳米管作为增强相制备复合材料的研究虽然取得了一定的成果，单在改善材料的性能方面进展有限。 有人 9发现， 超高分子量聚乙烯掺杂少量碳纳米管后，其电阻率明显降低。 沈曾民等 10采用炉流动法催化裂解笨制备出的 MWNTs，采用液相阳极氧化法对其进行表面处理，使碳纳米管表面含氧量增加，增加了其表面含氧官能团。碳纳米聚合物
4、基复合材料的发展水平仍然处于实验室阶段和专利阶段，工业化项目不多，还有很多问题有待解决和研究。目前已2 经能够成功的制备聚丙烯 /碳纳米 管 复合材料，制备的主要方法有共混法、原位聚合法和溶胶 -凝胶法。 2.1 共混法 该方法是通过机械力方式或者通过溶液、乳液、熔融等形式直接将碳纳米管与基体聚合物共混 ，并利用然纳米管上的官能团与有机相的亲和力达到有机物与无机物复合的目的。 2.1.1 机械力混合 Dondero 等 11将 PP 小颗粒研磨成粉状，先预冷却 5min，然后以 10Hz 的频率研磨 2-3min，在每个研磨周期样品都有 1min 的间歇冷却，再将 PP 和 CNT 预混合后投
5、入到 Hakka 小型实验室双螺杆挤出机以 200 ， 100r/min 的条件加工 10 分钟，然后通过 1.75mm 的圆柱型口模将复合材料挤出。 2.1.2 熔融共混 将 PP 和不同质量分数的 MWNTs 在 190 在共混 10min，再在空气中冷却，制得了 MWNTs质量分数分别为 1%， 3%和 5%的 PP/MWNTS 复合材料 12。共混法简单易行，对碳纳米管体积分数等便于控制，但是不易实现碳纳米管在聚合物中的均匀分散，对碳纳米管进行表面修饰可以改善其在复合材料中的分散性。 2.2 原位聚合法（在位分散法） 此法是先将碳纳米管于聚合物单体均匀分散，再引发单体聚合从生成复合材料
6、的过程，也有利于碳纳米管的 键或其表面的官能团参与聚合达到与有机相复合的目的。 贾志杰等 13将已内酰胺、胺基乙酸一起放入反应器，聚合一段时间后再加入碳纳米管，最后得到了较高强度和韧性的 复合材料。 Wiemann 等 14用茂金属作为催化剂以原位聚合的方法制备了 PP/CNT 复合材料。 原位聚合法可以水相或油相为反应介质，于共混法相比，该法可以容易地实现碳纳米管在复合材料中的均匀分散，而且聚合物一次聚合成型，不需要再次热加工，避免了由此产生的降解。 2.3 溶胶 -凝胶法 这种方法早期用来制备还有无机纳米颗粒的纳米聚合物复合材料，该方法有几种情况 15： (1)将前驱物溶解在事先制备好的聚
7、合物溶液中，是前驱物经催化水解形成半互穿网络；（ 2）将前驱物和单体溶解，让水解和单体聚合同时发生，该法可以 使一些完全不溶的聚合物均与嵌入无机网络红；（ 3）在聚合物或单体中引入能与无机组分形成化学键的基团，增加有机与无机组分之间的相互作用。 3 溶胶 -凝胶法的优点是条件温和，两相分散均匀，能掺杂大量的有机物活无机物，并控制组分的比例；以加工成型，可以制备高纯度和均匀度的复合材料。因为在凝胶干燥的过程中，其溶剂、小分子、谁的挥发可能导致收缩脆裂。迄今为止，这种方法在国内外应用于制备碳纳米管聚合物方面还没有成熟的技术。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法、技术路线及研究难点，预期达到的目标
8、 3.1 课题的研究内容及拟 采取的研究方法 3.1.1 聚丙烯 /碳纳米管复合材料 的制备 将 PP与 CNTs按比例混合，在 同向双螺杆（ SHJ 20） 挤出机上 一定的温度下 熔融共混 一定时间 造粒，螺杆转速为 120 rpm。多壁碳纳米管的添加量分别为 0.1， 0.2， 0.5， 1 and 2% wt./wt，经双螺杆熔融共混的共混物，由注塑机注入模具型腔中，注塑成型 ，样条厚度约为 1.5 mm。 3.1.2 聚丙烯 /碳纳米管复合材料 的光氧化行为研究 将厚度约为 1.5 mm的样条放在自制的紫外灯箱中进行辐照，研究羰基基团数、羟基基团数以及力学性能随 着光氧化时间的变化。
9、 3.1.3 聚丙烯 /碳纳米管复合材料 的 表征 采用 Nicolet 5700 型红外光谱研究材料中 羰基基团数、羟基基团数随着光氧化时间的变化。根据 ASTM D638 塑料拉伸性能的标准试验方法，采用电子万能试验机进行力学性能测试。采用Perkin-Elmer 差示扫描量热分析仪研究材料的热学性能。采用蔡康偏光显微镜 XP-400 观察复合材料表面形貌。 3.2 研究难点 （ 1）选择制备聚丙烯 /碳纳米管复合材料时 熔融共混 过程中合适的加工温度和加工时间； （ 2）弄清楚碳纳米的加入量对 PP/CNT 复合 材料紫外光稳定性的影响。 3.3 预期达到的目标 在合适的条件下制备出 聚
10、丙烯 /碳纳米管复合材料 ， 了解 CNT 促进和抑制 PP 紫外光氧化降解的机理 。 四、论文详细工作进度和安排 2010 年 11 月 18 日 2010 年 12 月 31 日 完成毕业论文过程材料（文献综述、开题报告、外文翻译） 4 2011 年 1 月 1 日 2010 年 4 月 9 日 样品的制备工作 2011 年 4 月 10 日 2011 年 4 月 30 日 结果表征及讨论 2011 年 5 月 1 日 2011 年 5 月 18 日 整理毕业论文 2011 年 5 月 19 日 毕业论文答辩 准备毕业论文答辩材料 五、主要参考文献 1朱洪伟 , 吴德海 , 徐才录 . 碳
11、纳米管 . 北京 : 机械工业出版社 , 2003, 1: 338. 2殷锦捷 , 屈晓莉 , 王之涛 . 聚丙烯改性的研究进展 J. 上海塑料 , 2007, 12(4): 9-13. 3陈雷 . 纤维聚丙烯用脂的生及应用 J. 化工科技市场 , 2007, 3(2): 35-37. 4李汉鹏 . 透明聚丙烯开发应用及市场前景 J. World Plastics, 2007, 25(10): 48-54. 5亢小丽 . 浅谈聚丙烯改性方法 J. 高分子材料 研究 . 2007, 11: 33-34. 6易志勤 , 黎永兴 , 肖明 . 聚丙烯增刚改性的研究 J. 广东化工 , 2007, 3
12、4(7): 40-42. 7张英杰 , 梁基照 . 聚丙烯的物理改性 J. 上海塑料 , 2007, 3: 9-12. 8盛立新 . 国内聚丙烯供需现状和市场预测 J. 石油化工技术经济 , 2007,23(4): 24-26. 9Ago H.Petritsch K.Shaffer M S 1999(11) 10沈曾民 . 碳纳米管 /ABS树脂复合材料的力学性能和雷达波吸收性能的研究 . 复合材料学报 ,2003, 20(2): 25-28. 11William E Dondero, Russell E Gorgo. Morphological and mechanical properti
13、es of carbon nanotube polymer composites via melt compounding. Journal of Polymer Science, 2006, 44(5): 864-878. 12王彪 , 孙广平 , 孙思国等 . 聚丙烯 /多壁碳纳米管复合材料的热性能和流变性能 . 高分子学报 , 2006, 3: 408-413. 13贾志杰 , 徐才录 , 梁吉等 . 新型碳材料 , 1999, 14(2): 32-36. 14Katharina Wiemann, Walter Kaminsky, Florian H Gojny, et al. Synthesis and properties of syndiotactc poly/carbon nanofiber and nanotube composites prepared by in setu polymerization with merallocene/MAO catalysts.Macromolecular Chemistry and Physics, 2005, 206(15): 1472- 1478. 15王立新 , 袁立凤 , 任丽等 . 熟料工业 . 2000, 28(6): 1-3.
