PVCPI復合材料的研究

1、太原工業(yè)學院畢業(yè)論文PVC/PI復合材料的研究摘要此方法是利用聚酰亞胺優(yōu)異的耐高溫、耐絕緣、強的機械力學性能等，利用其聚酰亞胺極性基團和聚氯乙烯極性基團間的相容性，通過共混改性方法，改性聚氯乙烯；使用兩步法制備出不同分子量的PI粉末, 測試加入不同分子量和添加量的聚酰亞胺粉末后的復合材料的性能，通過熱重分析、力學實驗、紅外光譜分析、氧指數測定及偏光顯微鏡分析，選擇出熱穩(wěn)定性提高、力學性能優(yōu)異、阻燃性能好，從而分析探討不同分子量的PI和不同添加量的PI對復合材料性能的影響。關鍵詞：聚氯乙烯，聚酰亞胺，分子量，添加量、復合材料PVC/PI composite materialsAbstractTh

2、is method is the use of polyimide excellent high temperature resistance, insulation, strong mechanical properties, Compatibility between the polar groups of the polyimide and PVC polar groups by the modified method of blending the modified PVC; Two-step method to prepare different molecular weight o

3、f PI powder test by adding different molecular weight and the amount of polyimide powder composites, By thermal gravimetric analysis, mechanical tests, infrared spectroscopy, oxygen index and polarized light microscopy analysis, select the thermal stability, excellent mechanical properties, flame re

4、tardancy, which analysis to explore the different molecular weight PI and add the amount of PIimpact on the performance of the composite.Keywords: polyvinyl chloride, polyimide, molecular weight, amount of composite materialsII太原工業(yè)學院畢業(yè)論文目錄1 前 言31.1 復合材料的研究背景31.2 研究目的及重要意義51.3 論文研究內容52 實驗部分62.1 實驗原料及

5、配方62.1.1 原材料62.1.2 聚酰胺酸的合成原理62.1.3 復合材料的配方92.2 實驗儀器102.3 實驗工藝流程112.3.1 聚酰亞胺的制備112.3.2 復合材料板材的制備及樣條制備143 實驗分析與討論163.1 實驗項目163.1.1 懸臂梁沖擊實驗163.1.2 拉力實驗測試163.1.3 氧指數實驗173.1.4熱重實驗173.1.5 掃描電鏡實驗183.1.6偏光顯微鏡實驗183.1.7紅外光譜實驗193.2數據分析及討論203.2.1力學實驗分析及討論203.2.2熱性能分析及討論273.2.3氧指數測試分析324 結論36參考文獻37致謝391 前 言1.1 復

6、合材料的研究背景聚氯乙烯(PVC)是通用塑料的主要品種之一，具有價格便宜、透明性好、難燃、電絕緣性好和耐腐蝕等優(yōu)點，可通過添加各種添加劑和運用多種成型方法制得性能各異、用途廣泛的軟質或硬質制品。但是，通用PVC 樹脂的熱穩(wěn)定性差，加工過程中易受熱發(fā)生由活性部位(如烯丙基氯、叔氯、叔氫、帶雙鍵或過氧化物殘基的端基等)引發(fā)的自催化脫氯化氫反應，形成共扼多烯鏈，并進而發(fā)生斷鏈、交聯(lián)等反應而變色、降解，致使塑料制品質量變差，性能下降，進而影響其加工和使用性能。此外聚氯乙烯的抗沖擊性能差、燃燒時放出的氯化氫有毒，因此，為了拓寬PVC 的使用范圍，人們致力于對通用 PVC 樹脂進行耐熱改性、抗沖擊性能、拉

7、伸性能改性進而開發(fā)新型耐熱 PVC 樹脂。目前，PVC 耐熱改性的方法主要有添加熱穩(wěn)定劑、共混改性、交聯(lián)改性、共聚改性以及氯化改性和無機粒子改性等，通過這些方法，可以改善聚氯乙烯的耐熱性能、抗沖擊性能，拓寬使用范圍。其中添加稀土熱穩(wěn)定劑所改性的PVC效果好優(yōu)點多，使得此方法成為熱點研究之一。共混改性是應用最廣泛研究最多的一種，即在其粉末中加入玻璃化轉變溫度（Tg）較高的樹脂（即高分子耐熱改性劑），通過混合提高其耐熱性能，該方法工藝一般比較簡單，可實施性強。目前研究出的材料性能大幅提高，前景廣闊。氯化改性也是目前改性的主要方法之一，有溶液氯化法和懸浮氯化法之分，其中懸浮氯化法制造的氯化聚氯乙烯耐

8、熱性較高。缺點是要在增加耐熱性時也增加了脆性所以必須加入一定的抗沖擊性劑。聚酰亞胺作為很有發(fā)展前途的高分子材料已經得到充分的認識，在絕緣材料中和結構材料方面的應用正不斷擴大。在功能材料方面正嶄露頭角，其潛力仍在發(fā)掘中。其應用面很廣，對于加工也是有多種多樣的要求，例如高均勻度的成膜、紡絲、氣相沉淀、亞微米級光刻、深度直墻刻蝕、大面積、大體積成型、離子注入、激光精度加工、納米級雜化技術等等都為聚酰亞胺的應用打開廣闊的天地。 隨著合成技術的加工技術的進一步提高和成本的大幅度降低，同時具有優(yōu)越機械性能、電絕緣性能，熱塑性聚酰亞胺必將在未來的材料領域中顯示其更為突出的作用。但是在發(fā)展了四十年之后仍未成為

9、一個更大的品種，其主要原因是在單體合成及聚合方法上尋找降低成本的途徑。 聚酰亞胺的合成方法可以分為兩大類，第一類是在合成過程中，或者在大分子反應中形成酰亞胺環(huán)；第二類是以還有酰亞胺環(huán)的單體聚合成聚酰亞胺。聚酰亞胺主要由二元酐和二元胺合成，這兩種單體與眾多其他雜環(huán)聚合物，如聚苯并啞唑、聚苯并噻唑、聚喹啞啉和聚喹啉等單體比較，原料來源廣，合成也較容易。二酐、二胺品種繁多，不同的組合就可以獲得不同性能的聚酰亞胺。聚酰亞胺受到重視是因為：1.具有突出的綜合性能；2.在合成上具有多種途徑；3.最有最廣泛地應用領域。其突出的綜合性能主要體現在其分解溫度一般都在在500左右，有些達到600，是迄今聚合物中熱

10、穩(wěn)定性最高的品種之一。聚酰亞胺可耐極低溫，如在269的液態(tài)氦中不會脆裂。聚酰亞胺具有優(yōu)良的機械性能，未填充的塑料的抗張強度都在100Mpa以上，均苯型聚酰亞胺的薄膜為170Mpa以上，而聯(lián)苯型聚酰亞胺達到400Mpa。作為工程塑料，彈性膜量通常為34Gpa，纖維可達到200Gpa，據理論計算，均苯四甲酸二酐和對苯二胺合成的纖維可達 500Gpa，僅次于碳纖維。一些聚酰亞胺品種不溶于有機溶劑，對稀酸穩(wěn)定，一般的品種不大耐水解，這個看似缺點的性能卻使聚酰亞胺有別于其他高性能聚合物的一個很大的特點，即可以利用堿性水解回收原料二酐和二胺，例如對于Kapton薄膜，其回收率可達80%90%。改變結構也可

11、以得到相當耐水解的品種，如經得起120，500 小時水煮。聚酰亞胺的熱膨脹系數在2×10-53×10-5，南京岳子化工YZPI熱塑性聚酰亞胺3×10-5，聯(lián)苯型可達10-6，個別品種可達10-7。聚酰亞胺具有很高的耐輻照性能，其薄膜在5×109rad快電子輻照后強度保持率為90%。聚酰亞胺具有良好的介電性能，介電常數為3.4左右，引入氟，或將空氣納米尺寸分散在聚酰亞胺中，介電常數可以降到2.5左右。介電損耗為10-3，介電強度為100300KV/mm，廣成熱塑性聚酰亞胺為300KV/mm，體積電阻為1017·cm。這些性能在寬廣的溫度范圍和頻率

12、范圍內仍能保持在較高的水平。聚酰亞胺無毒，可用來制造餐具和醫(yī)用器具，并經得起數千次消毒。有一些聚酰亞胺還具有很好的生物相容性，例如，在血液相容性實驗為非溶血性，體外細胞毒性實驗為無毒。聚酰亞胺作為很有發(fā)展前途的高分子材料已經得到充分的認識，在絕緣材料中和結構材料方面的應用正不斷擴大。在功能材料方面正嶄露頭角，其潛力仍在發(fā)掘中。但是在發(fā)展了40年之后仍未成為更大的品種，其主要原因是，與其他聚合物比較，成本還是太高。因此，今后聚酰亞胺研究的主要方向之一仍應是在單體合成及聚合方法上尋找降低成本的途徑。1.2 研究目的及重要意義聚酰亞胺是一種具有高的熱穩(wěn)定性、可耐及低溫、有良好的機械性能、耐有機溶劑、

13、高耐輻射性、很好的介電性能、無毒和優(yōu)異絕緣性工程塑料。本設計通過用聚酰亞胺改性聚氯乙烯，通過控制聚酰亞胺的分子量和添加量，從而提高聚氯乙烯熱穩(wěn)定性、抗沖擊性能，拉伸性能，使其達到高性能聚氯乙烯的使用性能。1.3 論文研究內容本論文研究的內容是探討被聚酰亞胺改性后的復合材料的性能，探討PI的分子量和添加量對復合材料性能的影響。通過對復合材料進行熱重實驗而得之其熱穩(wěn)定性能；通過拉伸實驗、沖擊實驗而得之其機械性能；對復合材料進行氧指數實驗得知其阻燃性能；對復合材料進行紅外光譜掃描實驗、偏光顯微鏡、掃描電鏡實驗得知其微觀結構；從而全面分析其綜合性能，選出性能最好的一組復合材料。2 實驗部分2.1 實驗

14、原料及配方2.1.1 原材料1.原料藥品及來源見表2.1表2.1 原料藥品及來源見表藥 品牌 號出 產 地PVCDOPNMPODAPMDA三鹽硬脂酸鋅硬脂酸鋇液體石蠟7058NMP-101HG 2340-2005C18上海金輝貿易化工有限公司青州市建邦化工有限公司上海金錦樂實業(yè)有限公司山東萬達化工有限公司余姚雙象納米塑業(yè)有限責任公司市售 廣州市宬鏵貿易有限公司 廣州市宬鏵貿易有限公司 市售2.1.2 聚酰胺酸的合成原理1.合成聚酰胺酸的原材料（1）. 均苯四羧酸二酐（PMDA） 白色或微黃色塊狀和粉狀固體結晶，熔點：286，沸點：397-400，密度：1.680，吸水性強，水解變成均苯四甲酸,

15、水中分解，干燥環(huán)境中存儲。在室溫下溶于二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亞砜，-丁內酯、N-甲基吡咯烷酮、丙酮、甲基乙基甲酮、甲基異丁基甲酮、乙酸乙酯，不溶于氯仿、乙醚、正己烷、苯。（2）. 4, 4-二氨基二苯醚(ODA) 白色晶體，相對密度1.315，沸點300以上，熔點191.5，引火點219，著火點490。易溶于酸類，不溶于水。ODA的工業(yè)合成都是采用DNDPE為原料，經還原而制得。（3）. 甲基吡咯烷酮（NMP） 無色透明液體，沸點202 ，閃點95，能與水混溶，溶于乙醚，丙酮及各種有機溶劑，稍有氨味，化學性能穩(wěn)定，對碳鋼、鋁不腐蝕，對銅稍有腐蝕性。具有粘度低，化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，極

16、性高，揮發(fā)性低，能與水及許多有機溶劑無限混溶等優(yōu)點。2. 聚酰胺酸的合成原理最常用的聚酰亞胺的合成方法是由二酐和二胺在非質子極性溶劑中形成成聚酰胺酸（PAA）, 然后再用熱或者化學方法脫水成環(huán)，轉化為聚酰亞胺，其主要反應過程如圖2.1：圖2.1 聚酰胺酸合成反應過程均苯四甲酸二酐(PMDA) 和4-4二氨基二苯醚(ODA) 生成聚酰亞胺的反應過程中，決定聚酰亞胺分子量的主要是第一步合成聚酰胺酸的反應。聚酰胺酸不溶于常用試劑, 分子量很難測定, 但高分子材料的分子量與高分子溶液的粘度有一定關系, 在相同溶劑、溫度和濃度條件下, 溶液粘度越大, 其所溶解的高分子材料分子量相對越高, 所以,實驗采用

17、測量相同條件下的溶液粘度和純溶劑的粘度，從而計算得知其相對粘度，便知道其分子量是在大中小哪個區(qū)間。3.影響聚酰亞胺分子量的因素（1）反應溫度的影響反應溫度是化學反應的另一個重要影響因素, 增加反應溫度可以縮短平衡時間, 但卻影響平衡常數。由于本合成反應是放熱反應, 所以低溫有利于正反應行。一般采用冰浴反應。（2）試劑含水量對實驗結果影響很大實驗證明當藥品含水量比較多時, 合成的溶液粘度值很低; 隨著藥品含水量減少, 合成的溶液粘度值急劇增加，如圖2.2所示。所以, 在對烘干的藥品進行保存時一定要細心，放在有干燥劑的密封容器內，這將使合成的聚酰胺酸分子量大幅度提高。同時溶劑NMP的含水量也影響合

18、成粘度，所以溶劑的保存一定要密封。圖2.2 試劑含水量對溶液粘度的影響4. 二酐和二胺的配比（C）計算公式由反應式： n ：n = c ：1 <1> n + n n <2>c 1m= <3>m= <4> 其中：v含90%的NMP溶劑體積10ml 為NMP溶劑的密度1.0279g/=218.12g/mol =200.24g/mol5.實驗步驟（1）根據計算出的質量，先稱量ODA，再稱量PMDA，將其放入有干燥劑的密封容器中，量取NMP溶劑至三口燒瓶中。將ODA加入緩慢加入已有NMP溶劑的三口瓶中, 將三口燒瓶放入冰浴中，同時用攪拌器混勻，使ODA快

19、速融于NMP中大約5min。（2）緩慢加入PMDA，打開葉片，調快攪拌速度，讓其在冰浴中攪拌反應9-10h。反應結束后倒出聚酰亞胺密封低溫保存。2.1.3 復合材料的配方2.1.2.1 原料料的選擇依據1. 主體材料聚錄乙烯簡稱PVC，由氯乙烯在引發(fā)劑作用下聚合而成的熱塑性樹脂。是氯乙烯的均聚物。氯乙烯均聚物和氯乙烯共聚物統(tǒng)稱為氯乙烯樹脂。PVC為無定形結構的白色粉末，支化度較小。2. 熱穩(wěn)定劑：三鹽（3PbO·PbSO·HO）主要用作聚氯乙烯不透明或半透明制品的熱穩(wěn)定劑，有優(yōu)良的耐熱性和電絕緣性，特別適應于高溫加工。硬脂酸鋇(CHO) Ba用作PVC耐光耐熱穩(wěn)定劑，是堿土

20、金屬硬脂酸鹽中長期穩(wěn)定性最佳者，與鋅、鎘皂并用時有協(xié)同效應。硬脂酸鋅 (C36H70O4) Zn 用作PVC耐光耐熱穩(wěn)定劑。白色粉末，不溶于水，溶于熱的乙醇、苯、甲苯、松節(jié)油等有機溶劑；遇到酸分解成硬脂酸和相應的鹽；在干燥的條件下有火險性，自燃點900；有吸濕性。3 增塑劑DOP（鄰苯二甲酸二辛脂），是通用型增塑劑，主要用于聚氯乙烯脂的加工、還可用于化地樹脂、醋酸樹脂、ABS樹脂及橡膠等高聚物的加工，也可用于造漆、染料、分散劑等、DOP增塑的PVC可用于制造人造革、農用薄膜、包裝材料、電纜等。4 潤滑劑液體石蠟是從原油分餾所得到的無色無味的混合物。它可以分成輕質礦物油及一般礦物油兩種，而輕質礦

21、物油的比重及黏稠度較低。俗稱白油，可以作為PVC和PS等塑料的內部潤滑劑，潤滑效率高，熱穩(wěn)定性好，無毒。其用量一般在0.5份左右。2.1.2.2 復合材料加工配方（1）PVC/PI復合材料配方見表2.2表2.2 PVC/PI復合材料配方名稱添加量（g）實際材料配方（g）PVC100300DOP515續(xù)表2.2液體石蠟0.51.5三鹽618硬脂酸鋅13硬脂酸鋇1.54.5PI粉末X3X（2）PI粉末添加量見表2.3表2.3 PI粉末添加量組數PI添加量（%）PI實際添加量（g） PI分子量KB00 010.10.3 低20.20.6 低30.30.9 低40.10.3 中50.20.6 中60.

22、30.9 中70.10.3 高80.20.6 高90.30.9 高2.2 實驗儀器1.實驗所需的試驗儀器和設備見表2.4表2.4 試驗儀器和設備設備/儀器型號出產地雙輥開煉機機WQ-1005-D東莞市偉慶機械設備有限公萬能制樣機PQ-50化工部晨光塑料機械研究所續(xù)表2.4平板硫化機QLB-D上海第一橡膠機械廠懸臂梁沖擊實驗機2HT-M河北省承德實驗機廠拉伸試驗機LT-500廣州實驗儀器廠掃描電子顯微鏡KYKY3800北京中科科儀技術發(fā)展有限公司熱重分析儀HTG-1 / HTG-2/HTG-3北京恒久科學儀器廠偏光顯微鏡XPR-500D上海蔡康光學儀器有限公司熱重分析儀HCT-1北京恒久科學儀器

23、廠氧指數儀SC-2南京江寧縣分析儀器廠高速混合機GH-10DY北京市塑料機械廠2.3 實驗工藝流程2.3.1 聚酰亞胺的制備2.3.1.1 PAA分子量的測定1. 烏氏粘度計原理流層之間的切向力F與兩層間的接觸面積A和速度差V成正比，而與兩層間的距離X成反比;高聚物摩爾質量不僅反映了高聚物分子的大小，而且直接關系到它的物理性能，是個重要的基本參數。與一般的無機物或低分子的有機物不同，高聚物多是摩爾質量大小不同的大分子混合物，所以通常所測高聚物摩爾質量是一個統(tǒng)計平均值。烏氏粘度計如圖2.3：圖2.3 烏氏粘度計測定高聚摩爾質量的方法很多，而不同方法所得平均摩爾質量也有所不同。比較起來，粘度法設備

24、簡單，操作方便，并有很好的實驗精度，是常用的方法之一。用該法求得的摩爾質量成為粘均摩爾質量。由于特定粘度與高分子的粘均分子量有密切的關系，因而特性粘度也就成了一個很重要分子量表征參數M。2. 烏氏粘度計測分子量步驟（1）根據實驗需要將恒溫槽溫度調節(jié)至30±0.05。 （2）洗滌粘度計先用NMP灌入粘度計中浸洗除去留在粘度計中的聚合物，尤其是毛細管部分要反復用溶劑清洗，洗畢，將NMP溶液倒入回收瓶中，再用洗液、自來水、蒸餾水洗滌粘度計，最后烘干。（3）配制聚合物溶液準確稱取1.25g低粘度PAA放入清潔干燥的容量瓶中，在量筒中倒入約25mlNMP，先將一半的NMP倒入含PAA的容量瓶中

25、，攪拌致使其溶解均勻，用移液管將其移入粘度計中，再將另一半的NMP倒入容量瓶中，攪拌，移入粘度計，將粘度計垂直固定于恒溫水浴中待測。（4）測定溶劑的流出時間用手捏住C管管口，使之不通氣，在B管用洗耳球將溶劑從E球經毛細管、M2球吸入M1球，然后先松開洗耳球后，再松開C管，讓C管通大氣。用秒表準確地測出液面流經a線與b線之間所需的時間，并記錄。重復上述操作三次，每次測定相差不大于0.2 s。取三次的平均值為t0，即為溶劑的流出時間。（5）溶液流出時間的測定（a）測定t0后，將粘度計中的NMP倒入回收瓶，并將粘度計烘干，用干凈的移液管吸取已恒溫好的被測溶液25ml，移入粘度計，恒溫3分鐘，按前面的

26、步驟，測定溶液（濃度c1）的流出時間t1。中、高粘度測法相同。（6）粘度計洗滌測量完畢后，取出粘度計，將溶液倒入回收瓶，用純溶劑反復清洗幾次，烘干，并用熱洗液裝滿，浸泡數小時后倒去洗液，再用自來水，蒸餾水沖洗，烘干備用。3. 分子量的計算公式按下式計算特性粘數：= 1 2= 3KM4 C為供試液的濃度(gdl)。 K常數，隨著分子量和溫度的增加略有減小；K=1.07X10-4常數，取決于溫度和體系的性質。在0.51之間。在狀態(tài)時為0.5，一般為0.82。=0.82 相對粘度，溶液粘度對溶劑粘度的相對值。增比粘度，反映了高分子與高分子之間，純溶劑與高分子之間的內摩擦效應 。特性粘度，反映了高分子

27、與溶劑分子之間的內摩擦 。3. 數據結果見表2.5和2.6 純溶劑：0（s）=302.56s表2.5 低、中粘度PAA的分子量C值(g/dl)（s）相對粘度增比粘度特性粘度分子量M （×104）1.017457.611.51250.51250.43701.4351.022662.412.18941.18940.8823.378 純溶劑：（s）=244.25s表2.6 高粘度PAA的分子量C值(g/dl)（s）相對粘度增比粘度特性粘度分子量M （×104）1.05840.503.44112.44111.4796.3402.3.1.2 將PAA制備成PI粉末1 沉析和抽濾原理利

28、用壓力差原理設置，濾紙作為層析的載體，將由在加熱煲溫度180-190、無氧條件下，反應3小時后的溶液，通過壓力吸附，將其液體吸走，留下粉末的方式。2 層析和抽濾步驟（1）將量取配置同等比例的溶液（PA=40ml NMP=40ml），充分混合，倒入三角燒瓶中，將三角燒瓶固定于鐵架臺上，放入磁力攪拌器，打開加熱套，將加熱套調至溫度180-200，調好攪拌速度。（2）從三角燒瓶一端通入氮氣，排盡燒瓶中的氧，從另一端插入冷卻回流裝置，將燒瓶移入加熱套中，待溫度穩(wěn)定后開始計時，反應約3小時。（3）三小時后停止加熱，將溶液涼致室溫，進行第一次真空抽濾，之后將塊狀物放入燒杯中，加入適量的乙醇使其溶解，然后進

29、行第二次真空抽濾。將抽濾出的固體放入容器中以待烘干。3 烘干及研磨調節(jié)烘箱溫度50，將濕粉末放入烘箱中，恒溫3小時。取出冷卻后，依次在研缽中研磨出粉末，密封保存于有干燥劑的密閉容器中待用。2.3.2 復合材料板材的制備及樣條制備2.3.2.1 配料及混合按照表2.2 對各組分物料進行稱量配置，并將其全部倒入高速混合機中在室溫下混合3-5分鐘，使各組分混合均勻。其中各組PI添加量見表2.3。2.3.2.2 原材料的混煉根據操作規(guī)程，先將兩輥間距調零，易于加熱，待輥溫升至165時,將輥距調至2-3mm，調電壓，使輥溫保持在160-165，起動開關，將混合好的預混料倒入兩輥之間，回煉2-3次對其預混

30、料預熱，調節(jié)輥距使預混料充分混合，混煉約15分鐘左右，觀察預混料是否混合均勻，手摸不顯毛粒，表面光滑具有一定的強度，調節(jié)輥距，使預混料出輥時，盡量薄，利于壓制成型。利用不同配方原料，重復以上混合步驟，得出各組混料。2.3.2.3 復合材料的壓延成型根據PVC性能，將壓力機溫度調至170±5，選用4mm左右的模板，把已經輥壓出的薄片，交錯放入模具中（已經預熱的），閉模，放氣三次，恒溫、恒壓于1.52.0Mpa約30min，開模冷卻至約50以下，脫模取出PVC/PI板材制品待制樣。2.3.2.4 復合材料樣條的制備（1）沖擊樣條：萬能制樣機切出長約100mm，寬約10mm的樣條。然后用缺

31、口制樣機對每個樣條打出2mm的缺口。（2）拉伸樣條：先用萬能制樣機切出長約150mm，寬約15mm的樣條，再在啞鈴型制樣機上制出拉伸樣條。（3）燃燒樣條：萬能制樣機切出長約130mm，寬約13mm的樣條。要求：試樣表面平整、無氣泡、裂紋、分層、明顯雜質和加工損傷等缺陷。對于各項異性的板材，從不同方向，每組每種樣條至少制三個。3 實驗分析與討論3.1 實驗項目3.1.1 懸臂梁沖擊實驗及分析3.1.1.1 實驗原理實驗設如圖3.1根據實驗規(guī)程，將擺錘從鉛錘位置旋轉至支錘軸上，揚角，此時擺錘獲得一定的位能，如任其自由落下，則此位能轉化為動能而將試樣沖斷。沖斷試樣后，擺錘以剩余能量升到某一高度，升角

32、為。根據能量關系：WL(coscos)= A <1> 圖3.1 沖擊儀 a=（） <2>A沖擊強度 E能量修正值忽略 b缺口處試樣寬度mm.缺口沖擊實驗最終計算公式：ak=Ekbxdk Ek缺口樣條吸收的沖擊能量JB 試樣寬度mmdk 缺口試樣缺口處剩余厚度mm3.1.2 拉力實驗測試1制備樣條長約150mm細頸寬度10mm平行間距72mm。2調試好LT-500型拉力試驗機夾好樣條。3調節(jié)拉伸速率為100mm/min4開動機器5記錄數據3.1.3 氧指數實驗原理及分析3.1.3.1 熱重實驗原理物質燃燒時,需要消耗大量的氧氣,不同的可燃物,燃燒時需要消耗的氧氣量不同,通

33、過對物質燃燒過程中消耗最低氧氣量的測定,計算出物質的氧指數值,可以評價物質的燃燒性能。所謂氧指數，是指在規(guī)定的試驗條件下，試樣在氧氮混合氣流中，維持平穩(wěn)燃燒（即進行有焰燃燒）所需的最低氧氣濃度，以氧所占的體積百分數的數值表示（即在該物質引燃后，能保持燃燒50mm長或燃燒時間3min時所需要的氧、氮混合氣體中最低氧的體積百分比濃度）。作為判斷材料在空氣中與火焰接觸時燃燒的難易程度非常有效。一般認為，OI<27的屬易燃材料,27OI<32的屬可燃材料,OI32的屬難燃材料。M606型氧指數測定儀，是用來測定物質燃燒過程中所需氧的體積百分比。該儀器適用于塑料、橡膠、纖維、泡沫塑料及各種固

34、體的燃燒性能的測試，準確性、重復性好。3.3.3.2 熱重實驗方法氧指數的測試方法，就是把一定尺寸的試樣用試樣夾垂直夾持于透明燃燒筒內，其中有按一定比例混合的向上流動的氧氮氣流。點著試樣的上端，觀察隨后的燃燒現象，記錄持續(xù)燃燒時間或燃燒過的距離，試樣的燃燒時間超過3min或火焰前沿超過50mm標線時，就降低氧濃度，試樣的燃燒時間不足3min或火焰前沿不到標線時，就增加氧濃度，如此反復操作，從上下兩側逐漸接近規(guī)定值，至兩者的濃度差小于0.5。氧指數法是在實驗室條件下評價材料燃燒性能的一種方法，它可以對窗簾幕布、木材等許多新型裝飾材料的燃燒性能作出準確、快捷的檢測評價。3.1.4熱重實驗3.1.4

35、.1熱重實驗原理1. 熱重分析儀主要由天平、爐子、程序控溫系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)等幾個部分構成。2. 熱重分析方法最常用的測量的原理有兩種，即變位法和零位法。所謂變位法，是根據天平梁傾斜度與質量變化成比例的關系，用差動變壓器等檢知傾斜度，并自動記錄。零位法是采用差動變壓器法、光學法測定天平梁的傾斜度，然后去調整安裝在天平系統(tǒng)和磁場中線圈的電流，使線圈轉動恢復天平梁的傾斜，即所謂零位法。由于線圈轉動所施加的力與質量變化成比例，這個力又與線圈中的電流成比例，因此只需測量并記錄電流的變化，便可得到質量變化的曲線。3.1.4.2熱重分析步驟1. 稱量5-10mg左右試樣，記錄實際重量，標定后序號，放置坩堝中。

36、2. 啟動熱重分析儀，點擊采集試樣，設置試樣名稱PVC/PI，試樣序號1、2、，試樣重量，實驗員姓名，添加升溫速率，最高溫度900,保溫時間0，確定后開始采集。3. 熱重分析調試大約15min，當實驗結束后保存圖樣，取出坩堝，通入冷卻水，開始冷卻，至到60以下，重復以上步驟，獲得其他試樣分解時圖樣。3.1.5 掃描電鏡實驗1.掃描電鏡原理儀器中電子槍發(fā)射電子束，電子束經過幾級電磁透鏡縮小后，到達樣品，激發(fā)樣品中的二次電子，二次電子被探測器接收，通過信號處理并調制顯示器上一個像素發(fā)光，由于電子束斑直徑是納米級別，而顯示器的像素是100微米以上，這個100微米以上像素所發(fā)出的光，就代表樣品上被電子

37、束激發(fā)的區(qū)域所發(fā)出的光。實現樣品上這個物點的放大。2樣品制備：在沖擊樣條和燃燒樣條的斷面處切取約2mm大小的立方塊，斷面與燃燒面朝上用導電膠粘于樣品盤上，對其噴金處理。3拍攝照片分析。3.1.6偏光顯微鏡實驗1.偏光顯微鏡實驗原理光線通過某一物質時，如光的性質和進路不因照射方向而改變，這種物質在光學上就具有“各向同性”，又稱單折射體，如普通氣體、液體以及非結晶性固體；若光線通過另一物質時，光的速度、折射率、吸收性和光皮的振動性、振幅等因照射方向而有不同，這種物質在光學上則具有“各向異性”，又稱雙折射體，如晶體、纖維等。2樣品制備在制好的PVC/PAA板材上切小一下薄片放于載玻片上烘烤，融化后擠

38、壓成很薄的片狀物備用。3將片材置于顯微鏡下進行觀察拍攝。3.1.7紅外光譜實驗原理1.紅外光譜實驗原理任何物質的分子都是由原子通過化學鍵聯(lián)結起來而組成的。分子中的原子與化學鍵都處于不斷的運動中。它們的運動，除了原子外層價電子躍遷以外，還有分子中原子的振動和分子本身的轉動。這些運動形式都可能吸收外界能量而引起能級的躍遷，每一個振動能級常包含有很多轉動分能級，因此在分子發(fā)生振動能級躍遷時，不可避免的發(fā)生轉動能級的躍遷，因此無法測得純振動光譜，故通常所測得的光譜實際上是振動-轉動光譜，簡稱振轉光譜。由于分子吸收了紅外線的能量，導致分子內振動能級的躍遷，從而產生相應的吸收信號紅外光譜（Infrared

39、 SPectroscoPy，簡記IR）。通過紅外光譜可以判定各種有機化合物的官能團；如果結合對照標準紅外光譜還可用以鑒定有機化合物的結構。分子振動時偶極矩的變化不僅決定了該分子能否吸收紅外光產生紅外光譜，而且還關系到吸收峰的強度。根據量子理論，紅外吸收峰的強度與分子振動時偶極矩變化的平方成正比。因此，振動時偶極矩變化越大，吸收強度越強。而偶極矩變化大小主要取決于下列四種因素。（1）化學鍵兩端連接的原子，若它們的電負性相差越大（極性越大），瞬間偶極矩的變化也越大，在伸縮振動時，引起的紅外吸收峰也越強（有費米共振等因素時除外）。（2）振動形式不同對分子的電荷分布影響不同，故吸收峰強度也不同。通常不

40、對稱伸縮振動比對稱伸縮振動的影響大，而伸縮振動又比彎曲振動影響大。（3）結構對稱的分子在振動過程中，如果整個分子的偶極矩始終為零，沒有吸收峰出現。（4）其它諸如費米共振、形成氫鍵及與偶極矩大的基團共軛等因素，也會使吸收峰強度改變。2.樣品制備在制好的PVC/PAA板材上切小一下薄片放于載玻片上烘烤，融化后擠壓成很薄的片狀物備用。3.開啟機器進行實驗并進行數據記錄3.2數據分析及討論3.2.1力學實驗分析及討論1沖擊實驗數據表3.1表3.1沖擊試驗數據編號KBD0.1D0.2D0.3Z0.1Z0.2Z0.3G0.1G0.2G0.3單位結果2.623.873.833.623.542.123.682

41、.733.173.23KJ/m2排序124593876從上表可以看出D0.1%組的沖擊性能最好。（1）復合材料中添加的PI粉末分子量對沖擊結果的影響如圖3.2：圖3.2 復合材料中添加的PI粉末分子量對沖擊結果的影響由圖可以看到添加不同分子量的PI對復合材料力學性能的影響是不一樣的，并且整體上可以看出添加低分子量PI的復合材料沖擊性能相對最好，其次是中分子量的，最后是高分子量的。（2）復合材料中PI粉末添加量對復合材料沖擊性能的影響如圖3.3：圖3.3 復合材料中PI粉末添加量對復合材料沖擊性能的影響由圖可以看到不同添加量的PI對復合材料力學性能的影響是不一樣的，并且整體上可以看出添加0.3%

42、的PI的復合材料沖擊性能相對稍好于添加0.1%PI的復合材料，添加0.2%的PI的復合材料沖擊性能最差。2拉伸數據表3.2其中：t1拉伸最大負荷KNt1拉伸強度MPat1彈性模量MPat2斷裂伸長率%表3.2 拉伸試驗數據記錄組別項目D0.3D0.2D0.1Z0.3Z0.2Z0.1G0.3G0.2G0.1KBt11.702.241.841.582.081.921.892.371.991.783t157.361.85958.260.658.459.661.557.143.9t1667.3682704707.5722723594.7658.7688.5465.3t214.3%12.7%14.0%2

43、.5%14%14.7%16.3%13.7%15%12.3%排序764321985彈性模量是工程材料重要的性能參數，從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映。彈性模量可視為衡量材料產生彈性變形難易程度的指標，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應力作用下，發(fā)生彈性變形越小。（1）復合材料中添加的PI粉末分子量對拉伸結果的影響如圖3.4：圖3.4 復合材料中添加的PI粉末分子量對拉伸結果的影響從上圖可以看出復合材料彈性模量有了很大提高，并且關于PI分子量對復合材料拉伸性能影響可以總結為：

44、添加中分子量PI的復合材料的剛性最好，其次是添加低分子量的PI的復合材料，但是中低組差別不是很大，最后是添加高分子量的PI的復合材料。（2）復合材料中PI粉末添加量對復合材料拉伸性能的影響如圖3.5：圖3.5 復合材料中PI粉末添加量對復合材料拉伸性能的影響關于PI添加量對復合材料剛性的影響的規(guī)律也是非常明顯的，可以總結為：PI添加量為0.1%時復合材料剛性最好，其次是PI添加量為0.2%的復合材料剛性好，最后是PI添加量為0.3%的復合材料。3.從掃描電鏡角度分析復合材料力學性能的結論。 圖3.6 KB 圖3.7 D0.1% 圖3.8 D0.2% 圖3.9 D0.3% 圖3.10 Z0.1%

45、 圖3.11 G0.1%本實驗選擇了沖擊試驗中性能最好的低分子量組（D0.1%、D0.2%、D0.3%）和Z0.1%、G0.1%五組進行了觀察作對比的。我們從空白材料的斷面可以看出，此材料中沒有清晰可見的細小的顆粒，混合還算均勻，斷面平整，只有較少凹凸部分，說明此材料的力學性能較差，抗沖擊能力弱；而加入PI粉末的復合材料，從相片看到有較大空洞，凹凸不平，少量的帶狀結構，有一些清晰可見的細小顆粒，說明其力學性能高于未加任何PI的材料；并且可以看出低分子量的復合材料表面凹凸不平明顯于多于中和高分子量的，這也就驗證了前邊的沖擊實驗結論。4.從偏光顯微鏡角度分析復合材料力學性能的結論。以下是各組偏光顯

46、微鏡照片： 圖3.12 D0.1（x40） 圖3.13 D0.2（x40） 圖3.14 D0.3（x40） 圖3.15 Z0.1（x40） 圖3.16 Z0.2（x40） 圖3.17 Z0.3（x40） 圖3.18 G0.1（x40） 圖3.19 G0.2（x40） 圖3.20 G0.3（x40） 圖3.21 KB（x40）偏光照片整體分析：加入PI粉末的圖片均出現了雙折射現象，說明這些結構比較規(guī)整，隨著添加量的增多，圖中的白色顆粒增多、密集、增大，黏度越高顆粒的粒徑越大，越密集，粘度越高力學性能越差耐熱性能越差，熱分解溫度也越低。5.復合材料力學性能結論：復合材料力學性能隨著PI分子量的增加

47、而降低，當PI分子量一定時，復合材料力學性能隨著添加量的增大而降低。所以以上九組實驗中，D0.1%組的力學性能最好。3.2.2熱性能分析及討論3.2.2.1 實驗數據記錄及分析情況表3.3 熱重性能排序組別項目D0.1D0.2D0.3Z0.1Z0.2Z0.3G0.1G0.2G0.3KB質 量6.87.16.86.26.66.36.76.65.35.4性能排序2223461571. 三組添加低分子量的PI粉末與空白實驗的熱重圖對比如圖3.22：圖3.22 低分子量的PI粉末組與空白實驗的對比如結論：添加PI粉末的三組熱性能都較空白實驗有很大提高，并且三組熱性能基本一致。2. 三組添加中分子量的P

48、I粉末與空白實驗的對比如圖3.23：圖3.23見下頁結論：添加PI粉末的三組熱性能都較空白實驗有所提高，第一次失重時三組實驗差別不是很大，但是第二次失重前三組失重率差別比較大，其中Z0.1組的熱性能比其他兩組好。所以提出Z0.1組準備進行下一步分析。圖3.23 中分子量的PI粉末組與空白實驗的對比3. 三組添加高分子量的PI粉末與空白實驗的對比如圖3.24：圖3.24 高分子量的PI粉末組與空白實驗的對比結論： G0.1組的熱性能比其他兩組好。所以提出G0.1組準備進行下一步分析。4. 低、中、高分子量中熱性能最好的分別挑出作對比如圖3.25：圖3.25 三個分子量中高熱性能組對比整體分析：P

49、VC熱穩(wěn)定性較差，第一步失重階段是脫HCl，發(fā)生在200-300，脫HCl后分子內形成共軛雙鍵，熱穩(wěn)定性提高（TG曲線下降緩慢），直至較高溫度約420時大分子鏈斷裂，形成第二次失重。由圖可看出三組分子量中PI添加量為G0.1%時熱性能最好。但整體而言，添加低分子量PI的復合材料熱穩(wěn)定性好于其他的，當分子量一定時，添加低含量的PI組的復合材料性能好于其他的。也就是說當分子量，單個實驗對比高分子量添加PI粉末量為0.1%的復合材料熱性能最好！但每組實驗進行對比得知添加低分子量PI粉末組的性能最好！5.復合材料失重比例溫度對比：表3.4 復合材料失重比例溫度對比編號失重5%時的溫度失重10%時的溫度

50、KB222240D0.1255265D0.2255265D0.3255265Z0.1250260Z0.2248259Z0.3243253G0.1247256G0.2245257G0.31512406.從紅外光譜角度分析復合材料熱性能的結論。 三組添加低分子量的PI粉末紅外光譜與空白實驗的對比如圖3.26：圖3.26 低分子量的PI粉末組紅外光譜與空白實驗的對比 三組添加中分子量的PI粉末紅外光譜與空白實驗的對比如圖3.27：圖3.27 中分子量的PI粉末紅外光譜與空白實驗的對比 三組添加中分子量的PI粉末紅外光譜與空白實驗的對比如圖3.28：圖3.28 中分子量的PI粉末紅外光譜與空白實驗的對

51、比整體分析：在PI的IR 分析中，有三種基團的特征吸收帶可供選擇，就是酰胺基譜帶，羧基譜帶和亞胺基譜帶。這三種基團的吸收譜帶的相應波數列于表3.5中：表3.5 三種基團的吸收譜帶基團名稱吸收帶波數酰亞胺基團323034001570羧基1680由三個圖可以看出空白復合材料在1725（聚酰亞胺最強譜帶）和1680（羧基譜帶）處是沒有峰的，其他樣品在這兩處是有峰的，但峰位稍微有所偏移，從紅外光譜圖可以看出，熱性能好的G0.1%和添加低分子量PI三組的1725（聚酰亞胺最強譜帶）處峰比較明顯，這也正是說明卻是是聚酰亞胺提高了復合材料熱穩(wěn)定性。結果表明添加PI粉末的復合材料熱重

52、效果好于空白復合材料，各組此兩處出峰位見表3.6：表3.6 各組酰亞胺基團和羥基峰位編號酰亞胺基團羧基D0.117321662D0.217451662D0.317331664Z0.11737Z0.217321654Z0.317301558G0.117261672G0.217361662G0.3173616607.復合材料熱性能結論：整體分析得知添加低分子量PI的復合材料熱穩(wěn)定性好于其他的，當分子量一定時，添加低含量的PI組的復合材料性能好于其他的。3.2.3氧指數測試分析1.氧指數實驗數據總結 氧指數實驗數據如表3.7：表3.7 氧指數實驗數據組別項目D0.1D0.2D0.3Z0.1Z0.2Z0.3G0.1G0.2G0.3KB氧指數/%49.347.844.251.450.547.349.351.25248.55682475312.氧指數分析