论文题目：HDPE/改性无机纳米粒子复合材料的制备与性能研究
摘要：高密度聚乙烯（HDPE）作为共聚型热塑性聚烯烃,具有优越的化学稳定性、耐低温性、耐磨性、电绝缘性能,及优异的机械强度和易加工成型等特点,广泛应用于塑料包装、建筑材料、汽车材料等领域,但HDPE在实际应用中具有耐热老化性、耐候性不足、硬度低、耐冲击力弱、易变性、透气性差等缺陷,因此对其进行有取向的功能化改性以拓展其应用领域尤为重要,可将具有功能特性的纳米粒子作为HDPE填料,无机纳米粒子能在提升基体韧性的同时提升高分子复合材料的强度、刚性、耐热性以及加工的流动性,从而提升HDPE复合材料的性价比。本论文选用HDPE作基体,硫酸钠（Na2SO4）、硫酸钙晶须（CSW）和硫酸钡（Ba SO4）作为填料,硅烷偶联剂KH570作改性剂,采用熔融共混挤出制备改性HDPE/无机纳米粒子复合材料。通过力学性能测试、热失重分析（TG）及差示扫描量热分析（DSC）分析不同含量Na2SO4、CSW、Ba SO4对HDPE/无机纳米粒子复合材料力学性能、结晶性能、热稳定性的影响。利用非等温结晶动力学和热降解动力学模型方程分析HDPE/无机纳米粒子复合材料的结晶行为与热分解行为。采用热氧老化处理方式对HDPE/无机纳米粒子复合材料进行热氧老化性能研究,探索HDPE/无机纳米粒子复合材料的热氧老化性能规律,研究结论如下:（1）研究发现HDPE/无机纳米粒子复合材料力学性能呈现先增后减的趋势。当Na2SO4、CSW、Ba SO4的含量分别为:10%、20%和10%时,拉伸强度和弯曲强度较纯HDPE分别增加了7.56%和39.51%、9.58%和31.65%、15.9%和18.8%;对比发现,10%含量的Ba SO4和Na2SO4拉伸强度和弯曲强度提升最大,综合力学性能提升为Ba SO4＞Na2SO4＞CSW。（2）系统分析结晶性能发现,Na2SO4、CSW、Ba SO4填充HDPE都属于异相结晶,结晶行为满足三个阶段:结晶成核阶段、晶粒生长阶段以及相对缓慢的二次结晶;随着无机填料含量增加,HDPE/Na2SO4复合材料、HDPE/CSW复合材料的结晶速率增加,HDPE/Ba SO4复合材料的结晶速率下降。结合Jeziorny方程模型与莫志深方程模型探索不同含量（Na2SO4、CSW、Ba SO4）在不同降温速率下对HDPE/无机纳米粒子复合材料的非等温结晶行为发现,HDPE/无机纳米粒子复合材料的降温速率与结晶速率成正相关,随填料含量增加,HDPE/Na2SO4复合材料、HDPE/CSW复合材料以及HDPE/Ba SO4复合材料的Avrami指数（n）和非等温结晶速率（ZC）先增后减,n分别为2.0-4.0,2.0-3.0,2.0-4.0,填充Na2SO4和Ba SO4的HDPE/无机纳米粒子复合材料晶体生长方式为二维片晶与三维球晶混合生长,HDPE/CSW复合材料为二维片晶生长;Na2SO4、CSW、Ba SO4填充HDPE/无机纳米粒子复合材料对应ZC分别为0.96,0.92,0.94,结晶性能的提升作用Na2SO4＞Ba SO4＞CSW。利用莫志深方程同样也证实纳米填料有利于提升HDPE/无机纳米粒子复合材料的结晶稳定性、结晶速率以及结晶度,且Na2SO4和Ba SO4体系存在多种晶体生长方式共存,CSW为单一生长。（3）TG分析发现,HDPE/无机纳米粒子复合材料的热降解为一阶降解,随Na2SO4、CSW、Ba SO4含量增加,HDPE/无机纳米粒子复合材料的热稳定性逐渐降低,热稳定影响程度大小分别为Na2SO4＜Ba SO4＜CSW。利用Kissinger方程、Flynn-Wall-Ozawa方程、Coast-Redfern方程定性分析不同升温速率下HDPE/无机纳米粒子复合材料的非等温热降解动力学发现,升温速率有利于提升复合体系的热稳定性,同时热降解过程中HDPE/无机纳米粒子复合材料的表观活化能降低;满足Coast-Redfern方程的HDPE/无机纳米粒子复合材料热降解机理因为填料不同而变化,HDPE/Na2SO4复合材料和HDPE/Ba SO4复合材料热降解机理函数为g（?）=[-ln（1-α）]3/4,反应级数=3/4,热降解机理为随机成核和随后生长反应;HDPE/CSW复合材料满足热降解机理函数为g（α）=[1-（1-α）]1/1,反应级数1,热降解机理属于为相边界反应（一维）。（4）通过扫描电镜（SEM）、力学性能测试、热失重分析（TG）、差示热量热分析（DSC）、非等温结晶动力学模型以及热降解动力学模型等表征方式分析HDPE/无机纳米粒子复合材料的热氧老化性能,并探究抗氧化剂1010和不同热氧老化时间下（0d-50d）对HDPE/无机纳米粒子复合材料的热氧老化性能影响。研究发现,随热氧老化时间增加,HDPE/无机纳米粒子复合材料力学性能、结晶性能、热稳定性均下降,性能失效方式皆是内部开裂所致,抗热氧老化效果CSW＞Na2SO4＞Ba SO4;添加抗氧化剂1010后,在同一老化时间下,HDPE/无机纳米粒子复合材料提升了热稳定性、力学性能以及结晶速率和结晶度,基体HDPE的晶体生长方式发生改变,HDPE/Na2SO4复合材料和HDPE/Ba SO4复合材料结晶机理为单一的二维片晶生长,HDPE/CSW复合材料为一维和二维片晶混合生长,而复合体系热降解机理在添加抗氧化剂后并未发生变化。
关键词：高密度聚乙烯;力学性能;结晶动力学;热降解动力学;热氧老化
学科专业：化学工程（专业学位）
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 前言
1.2 HDPE改性研究进展
1.2.1 HDPE与弹性体或高韧性聚烯烃的共混改性
1.2.2 HDPE与刚性粒子改性
1.2.3 HDPE与刚性粒子/弹性体协同改性
1.3 无机纳米粒子与聚合物的研究进展
1.3.1 硫酸钠与聚合物研究进展
1.3.2 硫酸钙晶须与聚合物研究进展
1.3.3 硫酸钡与聚合物研究进展
1.4 聚合物老化研究进展
1.4.1 老化概述及机理
1.4.2 聚合物热老化研究进展
1.5 本论文的研究目的与研究内容
1.5.1 研究目的与意义
1.5.2 本课题的研究内容
第二章 HDPE/Na_2SO_4复合材料的制备与性能研究
2.1 引言
2.2 实验部分
2.2.1 实验原料
2.2.2 实验设备与仪器
2.2.3 HDPE/Na_2SO_4复合材料制备
2.3 性能测试与表征
2.3.1 力学性能分析
2.3.2 差示扫描量热法分析(DSC)
2.3.3 非等温结晶动力学分析
2.3.4 热失重分析(TG)
2.3.5 非等温热降解动力学分析
2.4 结果与讨论
2.4.1 Na_2SO_4含量对HDPE/Na_2SO_4复合材料力学性能的影响
2.4.2 HDPE/Na_2SO_4合材料的DSC分析
2.4.3 HDPE/Na_2SO_4复合材料非等温结晶动力学研究
2.4.4 HDPE/Na_2SO_4复合材料的TG分析
2.4.5 HDPE/Na_2SO_4复合材料的热降解动力学研究
2.5 本章小结
第三章 HDPE/CSW复合材料的制备与动力学研究
3.1 引言
3.2 实验部分
3.2.1 实验原料
3.2.2 实验设备与仪器
3.2.3 HDPE/CSW复合材料制备
3.3 性能测试与表征
3.4 结果与讨论
3.4.1 CSW含量对HDPE/CSW复合材料力学性能的影响
3.4.2 HDPE/CSW复合材料的DSC分析
3.4.3 HDPE/CSW复合材料非等温结晶动力学研究
3.4.4 HDPE/CSW复合材料的TG分析
3.4.5 HDPE/CSW复合材料热降解动力学研究
3.5 本章小结
第四章 HDPE/BaSO_4复合材料的制备与动力学研究
4.1 引言
4.2 实验部分
4.2.1 实验原料
4.2.2 实验设备与仪器
4.2.3 HDPE/BaSO_4复合材料制备
4.3 性能测试与表征
4.4 结果与讨论
4.4.1 BaSO_4含量对HDPE/BaSO_4复合材料力学性能的影响
4.4.2 HDPE/BaSO_4复合材料的DSC分析
4.4.3 HDPE/BaSO_4复合材料非等温结晶动力学研究
4.4.4 HDPE/BaSO_4复合材料的TG分析
4.4.5 HDPE/BaSO_4复合材料的热降解动力学研究
4.5 本章小结
第五章 抗氧化剂1010对HDPE/无机纳米复合材料的防老化影响
5.1 引言
5.2 实验部分
5.2.1 实验原料与设备
5.2.2 热氧老化实验
5.2.3 复合材料微观形貌分析
5.3 热氧老化时间对HDPE/Na_2SO_4复合材料的性能影响
5.3.1 微观形貌
5.3.2 不同热氧老化时间HDPE/Na_2SO_4复合材料的力学性能分析
5.3.3 不同热氧老化时间HDPE/Na_2SO_4复合材料的热性能与动力学分析
5.3.4 不同热氧老化时间HDPE/Na_2SO_4复合材料的结晶性能与动力学分析
5.4 热氧老化时间对HDPE/CSW复合材料的性能影响
5.4.1 微观形貌
5.4.2 不同热老化时间HDPE/CSW复合材料的力学性能分析
5.4.3 不同热氧老化时间HDPE/CSW复合材料的热性能与动力学分析
5.4.4 不同热氧老化时间HDPE/CSW复合材料的结晶性能与动力学分析
5.5 热氧老化时间对HDPE/BaSO_4复合材料的性能影响
5.5.1 微观形貌
5.5.2 不同热氧老化时间HDPE/BaSO_4复合材料的力学性能分析
5.5.3 不同热氧老化时间HDPE/BaSO_4复合材料的热性能与动力学分析
5.5.4 不同热氧老化时间HDPE/BaSO_4复合材料结晶性能与动力学分析
5.6 本章小节
6.结论与展望
6.1 全文总结
6.2 本论文的创新点
6.3 不足与展望
参考文献
致谢