Исследование характеристик полипропиленовых композитов с отслаиванием шестигранного нитрида бора

I. ВВЕДЕНИЕ

Эта статья относится к теме применения микроструйного гомогенизатора, полный текст 11 500 слов, чтение занимает около 40 минут.

резюме

В исследовании были подготовлены отслаиваемые шестигранные наночипы нитрида бора (e - hBN) с помощью метода гомогенизации микроструй и их композит с полипропиленом (PP) с использованием технологии плавления экструзии. Результаты показывают, что равномерная дисперсия e - hBN в PP - матрице является ключом к значительному повышению нескольких свойств композита: в гомополимеризации PP (HP) e - hBN одновременно повышает прочность на растяжение и вязкость материала; Для антиударной сополимеризации PP (IP) его механическое улучшение ограничено, но антиоксидантная стабильность всех композитов значительно повышается из - за барьерного воздействия e - hBN, а индекс карбонильной группы после теплового старения значительно снижается. Кроме того, добавление e - hBN повышает теплопроводность композитов. Подводя итог, e - hBN - это многофункциональный нанонаполнитель, который эффективно обеспечивает композиты PP с лучшими комплексными свойствами.

ключевое слово

Удаление шестигранного нитрида бора; Микроструйный гомогенизатор; Полипропиленовые композиты; Теплопроводность; Механические свойства; Окислительная стабильность

II. Общие рамки

Толкование терминов

III. ВВЕДЕНИЕ

Это исследование направлено на устранение таких ограничений, как низкая теплопроводность, плохая антиоксидантная стойкость и недостаточная механическая прочность, присущая полипропиленовому материалу, путем введения e - hBN. Хотя h - BN обладает уникальной комбинацией высокой теплопроводности и изоляции по сравнению с традиционными наполнителями, его плохая дисперсия в полимерной матрице является ключевой проблемой. Инновацией в этом исследовании является систематическое изучение влияния процесса отслаивания на дисперсионный эффект h - BN в PP - матрице и сосредоточение внимания на оценке этого повышения термических, механических и долгосрочных антиоксидантных свойств композитов, чтобы заполнить пробел в исследованиях в этой области.

IV. Основные процессы

Ссылка	Основные шаги	Ключевые детали и параметры
Подготовка материалов	сырье	-h-BNЯпония Denka -ПолимерыPP от Lyondell Basell (HPиIP) -Растворители и диспергирующие веществаNMP и P4VP
h - BN Расщепление	отслоение жидкой фазы	1. Предварительная дисперсия: h - BN смешивается с P4VP в NMP, высокоскоростной сдвиг (5000 rpm, 1 h). 2. гомогенизация микроструй:: Использование микроструйного гомогенизатора, в190 МПаНижний цикл5Восемь пунктов. 3. Обработка: центрифуга, промывка, замораживание и сушка получаюте-hBNПорошок.
Подготовка композиционных материалов	Смешивание плавлений	1. Предварительное смешивание: Использованиеакустический резонансный смесительЗаполнитель смешивается с частицами PP. 2. выталкивание плавлением: Использованиедвухвинтовой экструдерВыполнение плавления и смешивания. 3. термокомпрессионное формование: ИспользованиеТаблеточный прессТеплопрессование в стандартные тестовые листы.
Показать и проверить	Оценка эффективности	-Структура и внешний видXRD, SEM, 3D XRM -Тепловые свойства: TGA, DSC (OIT), Коэффициент теплопроводности -Механические свойства: Тест на растяжение -Окислительная стабильностьFTIR (Индекс карбонильной группы CI)

V. Итоги и обсуждение

h - BN Улучшение характеристик композитов PP

В исследовании был использован системный подход к подготовке композитов с усиленным H - BN полипропиленом. Сначала H - BN был удален из жидкой фазы с помощью технологии гомогенизации микроструй, и SEM и XRD - индикаторы совместно подтвердили успешное получение отслаивающихся H - BN - наночипов с увеличенным интервалом между слоями и уменьшенной толщиной. Чтобы достичь идеальной дисперсии наполнителя в матрице, исследование использует резонансный акустический смеситель для предварительного покрытия наночастиц e - hBN поверхностью частиц PP, а затем путем расплавления экструзии для завершения композиции. Стратегия подготовки закладывает основу для получения композиционных материалов с отличной производительностью путем оптимизации процесса дисперсии.

Обеспечивается эффективная отслаивание и равномерное рассеивание наночастиц h - BN, применяется процесс отслаивания жидкой фазы с использованием микроструйного гомогенизатора. Метод, основанный на применении сильной силы сдвига и высокого давления, эффективно преодолевает мощную силу Ван дер Ватта между слоями H - BN тела. суспензия h - BN вынуждена проходить через узкий промежуток на высокой скорости, создавая турбулентность и напряжение сдвига, необходимые для разделения толстого слоя на тонкие наночастицы. Полученные наночипы показали стабильную белую суспензию, наглядно подтверждающую успешное удаление.

Процесс отслаивания был дополнительно проверен с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), как показано на рисунке 2b. Изображение показывает, что массивный H - BN состоит из толстых слоев, в то время как отслаивание H - BN наночипов показывает значительно уменьшенную толщину и увеличенные поперечные размеры. Этот морфологический сдвиг увеличивает площадь поверхности нанопластин h - BN, способствует лучшему взаимодействию с матрицей PP и помогает улучшить свойства композитов. Рентгеновская дифракция (XRD) анализ дает дополнительные доказательства успешного удаления рога (рисунок 2c). Карта XRD массивного h - BN показывает характерные дифракционные пики на значениях 26.8, 41.7, 43.9, 50.2 и 55.2 °, соответствующих плоскостям шестигранной фазы h - BN (002), (100), (101), (102) и (004), соответственно, при значительном снижении интенсивности пика (002), сопровождаемом шириной размаха пика. Эти изменения указывают на ослабление укладки слоев вдоль оси C, подтверждая разделение слоя h - BN. Кроме того, смещение пика (002) к 26,3 ° с интервалом (d002) 0,35 нм, что указывает на увеличение разделения между слоями, подтверждает успешное производство отслаивающихся наночипов h - BN.

Подготовка композитов из полипропилена (PP), усиленных отслаивающимися нанопластинами h - BN (e - hBN), включает в себя два ключевых этапа, как показано на рисунке 3. На первом этапе наночастицы e - hBN равномерно покрыты частицами PP с помощью резонансного акустического смесителя (рисунок 3a). Высокочастотные звуковые волны, генерируемые акустическими смесителями, генерируют быстрые вибрации, которые позволяют нанопластинам e - hBN равномерно рассеиваться и эффективно прикрепляться к поверхности частиц PP. Этот шаг имеет решающее значение, поскольку он обеспечивает равномерное распределение наночастиц в полимерной матрице во время последующей обработки, что повышает общую однородность и производительность композитов. На втором этапе осуществляется процесс плавления и экструзии частиц PP с покрытием h - BN (рис. 3b). В ходе этого процесса смесь нагревается, чтобы расплавить PP, способствуя смешиванию нанопластин с полимерной матрицей. Этот метод не только обеспечивает равномерное смешивание e - hBN, но и способствует прочному интерфейсу между наполнителем и полимером.

h - BN усиливает механические свойства композитов PP

По сравнению с антиударным сополимером PP (IP) чистый HP демонстрирует превосходную прочность на растяжение (30,42 ± 1,5 МПа), благодаря своей более высокой кристаллизации. Тем не менее, HP демонстрирует более низкий удлинение и вязкость, подчеркивая свою жесткость, но уменьшая растяжимость. Добавление стека h - BN (hBN - HP) приводит к снижению прочности на растяжение и вязкости, что в основномИз - за воссоединения частиц h - BN частицы h - BN действуют как концентраторы напряжений и препятствуют передаче напряженийА.

Напротив, смешивание отслаивающегося h - BN (e - hBN - HP) значительно повышает прочность на растяжение (32,88 ± 0,45 МПа, увеличение на 14,3%; p = 0,03) и вязкость (1 МПа ± 11,73, увеличение на 11,6%; p = 0.07）。 этиУлучшение связано с равномерной дисперсией наночастиц e - hBN в полимерной матрице, что обеспечивает эффективную передачу напряженийКак подтверждают изображения XRM (рисунок S1)

Напротив, из - за каучуковой виниловой структуры в матрице образцы IP показали более высокую удлинение и вязкость, чем HP. Тем не менее, легирование стека h - BN (hBN - IP) значительно снижает удлинение и вязкость, что может быть вызвано плохой дисперсией наполнителя и слабым взаимодействием между заполнителем и матрицей. Добавление отслаивающегося h - BN (e - hBN - IP) также приводит к снижению удлинения и вязкости IP - образцов, хотя это снижение менее заметно по сравнению со штабелем h - BN. Эти наблюдения показывают, что ограниченное улучшение механических свойств композитов e - hBN - IP связано с плохим взаимодействием интерфейса между IP - матрицей и наночипом h - BN, а также с присущей IP - матрице неоднородностью. Эта тенденция согласуется с выводами Chan и других, которые отмечают незначительные изменения в механических характеристиках после добавления 10%, 15% и 20% h - BN.

Таким образом, механические свойства композитов PP могут быть значительно улучшены путем добавления отслаивающихся наночастиц h - BN, особенно в гомополимеризации PP. Наблюдаемое повышение прочности на растяжение и вязкости связано с равномерной дисперсией и эффективной передачей напряжений, достигаемой отслаиванием h - BN. Оптимизация технологии дисперсии и усиление взаимодействия между наполнителем и матрицей могут еще больше улучшить механические свойства этих композитов, особенно в матрицах с более сложной структурой, такой как ударный сополимер PP. Сопоставление механических свойств композиционных материалов, разработанных в этом исследовании, с литературными сообщениями о композитах с усиленным H - BN PP (таблица 3). e - hBN повышает прочность на растяжение и вязкость, достигаемые композитами HP (e - hBN - HP), что доказывает эффективность отслаивания h - BN для улучшения свойств композитов.

h - BN Повышение тепловых свойств полипропиленовых композитов

С помощью термогравиметрического анализа (TGA) и производного термогравиметрического анализа (DTGA) была изучена тепловая стабильность композитов h - BN для повышения полипропилена (PP). На рисунке 5a показана кривая TGA h - BN и выпадающего h - BN (e - hBN), что указывает на превосходную тепловую устойчивость самого h - BN с потерей веса менее 1%.

Образцы e - hBN показали меньшую потерю веса, что связано с остаточным полимером (4 - винилпиридин) (P4VP), используемым в качестве диспергирующего агента при подготовке e - hBN. Однако, несмотря на высокую термическую стабильность h - BN, термическое разложение PP после добавления h - BN не заметно улучшилось, как показано на рисунке 5b, c. Температура разложения чистых образцов HP, h - BN - HP и e - hBN - HP составляет около 450°C при аналогичных скоростях разложения. Аналогичная тенденция наблюдалась в пробах h - BN - IP, поэтому на рисунке S2 представлены данные TGA и DTGA по этим пробам. Это говорит о том, что добавление h - BN существенно не изменит поведение термического разложения PP - матрицы, хотя наличие h - BN помогает поддерживать структурную целостность композита при более высоких температурах.

Измерения DSC используются для анализа кристаллизации и плавления композитов PP. Процент кристаллизации рассчитывается по формуле:В том числеЭто тепло плавления образца PP,Это тепло плавления чистой кристаллической PP (207 J / g). Процент кристаллизации чистого HP и IP составил 35,3% и 31,5% соответственно, причем пик плавления наблюдался при 163°C в обоих образцах (рис. 6a). Разница в кристаллизации между HP и IP связана с их механическими свойствами, где HP имеет более высокую кристаллизацию и демонстрирует более высокую прочность, в то время как более низкая кристаллизация IP помогает повысить его растяжимость. Несмотря на добавление h - BN в композиты PP, тепловые свойства PP существенно не улучшились, что указывает на то, что усиление h - BN не оказывает существенного влияния на кристаллизацию или плавление полимерной матрицы, как показано в таблице 3.

Измерение времени индукции кислородом (OIT) для оценки окислительно - термической устойчивости композитов PP (рис. S3).

Значения OIT измеряются при 180°C, так как значения OIT 200 и 220°C нереалистичны, потому что значения меньше 1 мин. Для чистых HP и IP значения OIT составляют 4,6 и 11 минут соответственно (рисунок 6b). Добавление h - BN увеличивает OIT h - BN - HP до 9,67 минуты, а h - BN - IP до 26 минут (рисунок 6c). Наблюдается дальнейшее усиление выпадающего h - BN, в результате чего значение OIT e - hBN - HP составляет 13 минут, а значение OIT e - hBN - IP - 34 минуты (рис. 6d). Эти результаты показывают, что добавление шестигранного нитрида бора (h - BN), в частности добавление его формы отслаивания (e - hBN), значительно повышает окислительную стабильность и тепловые свойства композитов полипропилена (PP).Увеличение времени окисления, индуцированного окислением (OIT), наблюдаемое в пробах с улучшенным h - BN и e - hBN PP, показывает, что h - BN является эффективным барьером для диффузии кислорода, тем самым задерживая начало окисления. Улучшение дисперсии e - hBN в PP - матрице еще больше усиливает этот защитный эффект, о чем свидетельствует более высокая OIT - ценность образцов e - hBN - HP и e - hBN - IP по сравнению с образцами, которые не были отслаены.Это повышение устойчивости к окислению частично связано с высокой теплопроводностью h - BN, что повышает теплоотдачу композита. В дополнение к измерениям OIT, измерения коэффициента теплопроводности также могут дать важную информацию о тепловых свойствах композитов. Добавление теплопроводности h - BN повышает теплопроводность PP - матрицы и способствует лучшей теплоотдаче. e - hBN повышает теплопроводность композитов (рисунок 7), что может быть связано с дисперсией e - hBN в PP - матрице, что повышает теплоотдачу композитов

Устойчивость композитов к окислению оценивалась с помощью исследований термического старения, в которых образцы HP и IP помещались на 250 и 500 часов при 120 °C для моделирования долгосрочного теплового воздействия. Для мониторинга образования продуктов окисления, особенно карбонильных (- C - O) групп, используется инфракрасный (FTIR) спектр преобразования Фурье.

Спектр FTIR (рисунок 8a) показывает карбонильные группы в 1700 - 1780Районы характеризуются пиками поглощения, которые указывают на окисление полимеров. Индекс карбонильной группы (CI) является эффективным индикатором для оценки степени окисления образцов полимеров и рассчитывается как карбонильный пик (1700 - 1780).Интенсивность и эталонный пик (2730)) Отношение интенсивности. Как и ожидалось, тепловое старение чистых образцов HP и IP привело к значительному увеличению интенсивности карбонильных пиков, а индекс карбонильной группы (CI) показал значительное увеличение. Для образцов HP значение CI увеличилось с 0,12 (чистого) до 1,14 после 250 ч и до 1,17 после старения 500 ч, что указывает на значительное окисление. Аналогичным образом, для IP - образцов значение CI увеличилось с 0,18 (чистого) до 1,0 после 250 ч и с 1,25 до 1,25 после 500 ч, что указывает на значительное окисление с течением времени. Тем не менее, добавление наночипов h - BN в PP - матрицу значительно повышает антиоксидантность, а улучшенные образцы h - BN и h - BN (e - hBN) имеют более низкие значения CI по сравнению с образцами теплового старения без h - BN. Результаты FTIR подтверждают результаты исследования OIT, подтверждая, что добавление наночипов h - BN, независимо от того, не отслаиваются они или не отслаиваются, повышает антиоксидантность композитов PP. По сравнению с термически стареющими образцами PP, не содержащими h - BN, улучшенные образцы h - BN имели более низкие значения CI, что указывает на снижение степени окисления. Это говорит о том, что смешивание наночастиц h - BN, особенно отслаенных, повышает устойчивость материала к окислению в условиях теплового старения.

VI. ВЫВОДЫ

Это исследование успешно подтвердило,Отложенный шестигранный нитрид бора (e - hBN)Как высокопроизводительный нанонаполнитель, он может значительно улучшить общую производительность полипропиленовых (PP) композитов. Основные выводы заключаются в следующем:

1. Готовность и децентрализация являются ключевыми: ПринятиеМетод микроструйной гомогенизацииУспешно подготовлен e - hBN и прошелАкустическое смешивание и расплавление экструзииВ сочетании с процессом реализации e - hBN в PP - матрицеРавномерная дисперсияЭто основа для повышения производительности.

2. Значительное улучшение механических характеристик (особенно в HP): ВРавнополимерный PP (HP)Добавление e - hBN реализованоСинхронизация прочности и вязкостиИ в антиударной сополимеризации PP (IP), из - за сложной структуры самой матрицы, механическое улучшение производительности ограничено.

3. Значительно повысилась стабильность термического окисления: Добавление e - hBN значительно расширяет материалВремя индукции окисления (OIT)Эффективно снижает тепловое старение.Карбонильный индекс (CI)Это показывает, что e - hBN может служить физическим барьером, который эффективно препятствует диффузии кислорода и замедляет окислительное разложение PP.

4. Улучшилась теплопроводность:: e - hBN образует более эффективный путь теплопроводности в PP - матрице, делая композитные материалыТеплопроводность повышается.А.

5. Термическое разложение существенно не влияет: Добавление наполнителя не изменило самого PPТемпература термического разложенияЭто указывает на то, что он в основном повышает стабильность за счет физических эффектов, а не изменяет механизм химического разложения полимеров.

Комплексное решение для выравнивания микроструй