Estudio sobre las propiedades de los compuestos de polipropileno reforzados con nanopartículas de nitruro de Boron hexagonal desprendidas

I. Introducción

Este artículo pertenece al tema de aplicación del homogeneizador de microchorro, con un total de 11.500 palabras en el texto completo, y la lectura tarda unos 40 minutos.

resumen

En este estudio, las nanopartículas de nitruro de Boron hexagonal desprendidas (e - hbn) se prepararon mediante el método de homogeneización de microchorro y se compusieron con polipropileno (pp) mediante la tecnología de extrusión por fusión. Los resultados muestran que la dispersión uniforme de e - HBN en la matriz PP es la clave, lo que puede mejorar significativamente muchas propiedades de los materiales compuestos: en el polipropileno homogéneo (hp), e - HBN mejora la resistencia a la tracción y la tenacidad del material al mismo tiempo; Para la polimerización resistente al impacto pp (ip), sus propiedades mecánicas han mejorado de manera limitada, pero la estabilidad antioxidante de todos los materiales compuestos ha mejorado considerablemente debido a la acción de barrera de e - hbn, y el índice de carbonilo después del envejecimiento térmico ha disminuido significativamente. Además, la adición de e - HBN también mejora la conductividad térmica de los materiales compuestos. En resumen, e - HBN es un nanorelleno multifuncional que puede dar efectivamente a los materiales compuestos PP mejores propiedades integrales.

Palabras clave

Quitar el nitruro de Boron hexagonal; Homogeneizador de microchorro; Materiales compuestos de polipropileno; Conductividad térmica; Propiedades mecánicas; Estabilidad oxidativa

II. marco general

Interpretación de la terminología

III. Introducción

El objetivo de este estudio es resolver las limitaciones inherentes de los materiales de polipropileno, como la baja conductividad térmica, la mala resistencia a la oxidación y la resistencia mecánica insuficiente, mediante la introducción de e - hbn. En comparación con los rellenos tradicionales, aunque H - BNS tiene una combinación única de alta conductividad térmica y aislamiento, su mala dispersión en la matriz de polímeros es un desafío clave. La innovación de este estudio es explorar sistemáticamente el efecto del proceso de desprendimiento en la dispersión de H - BNS en la matriz PP y centrarse en evaluar el efecto de mejora de este e - HBN en las propiedades térmicas, mecánicas y antioxidantes a largo plazo de los materiales compuestos para llenar las lagunas de investigación en este campo.

IV. procesos básicos

Enlace	Pasos centrales	Detalles y parámetros clave
Preparación de materiales	materias primas	-h-BN: denka, Japón -Polímeros: PP proporcionado por lyondellbasell..HPyIP(...) -Disolventes y dispersantesNMP y P4VP
H - lote desprendido	Desprendimiento en fase líquida	1. Predispersión: H - lote mezclado con p4vp en nmp, Corte a alta velocidad (5000 rpm, 1 h). 2. Homogeneización de microchorro: uso de homogeneizador de microchorro, ende 190 MPaCiclo inferior5Veces. 3. Reprocesamiento: centrifugado, lavado, liofilizadoe-hBNPolvo.
Preparación de materiales compuestos	Mezcla fundida	1. Premezcla: usoMezclador de resonancia acústicaMezcle el relleno con partículas de pp. 2. Extrusión fundida: usoExprimidor de doble tornilloSe mezcla por fusión. 3. Moldeo por presión caliente: usoPrensa de películaLa presión caliente se convierte en una hoja de prueba estándar.
Caracterización y pruebas	Evaluación del rendimiento	-Estructura y morfologíaXRD, SEM, 3D XRM -Propiedades térmicas: TGA, DSC (OIT), Conductividad térmica -Propiedades mecánicas: prueba de tracción -Estabilidad oxidativa: FTIR (índice carbonil ci)

V. resultados y debates

Caracterización de los materiales compuestos de PP reforzados con H - lote

El estudio utilizó un método sistemático para preparar materiales compuestos de polipropileno reforzado H - lote. En primer lugar, H - BNS se desprendió en fase líquida a través de la tecnología de homogeneización de microchorro, y la caracterización de Sem y xrd confirmó que se obtuvieron con éxito nanotabletas H - BNS desprendidas con mayor distancia entre capas y menor espesor. Para lograr la dispersión ideal del relleno en la matriz, se estudió el uso de un mezclador acústico de resonancia para recubrir previamente las nanopartículas e - HBN en la superficie de las partículas pp, y luego completar la composición mediante extrusión de fusión. Esta estrategia de preparación sienta las bases para obtener materiales compuestos con excelentes propiedades optimizando el proceso de dispersión.

Para garantizar el desprendimiento efectivo y la dispersión uniforme de las nanopartículas H - bns, se adopta el proceso de desprendimiento en fase líquida utilizando un homogeneizador de microchorro. El método se basa en la aplicación de fuertes fuerzas de corte y alta presión para superar eficazmente la fuerte fuerza de vandewar entre las capas H - BNS del cuerpo. La suspensión H - lote se ve obligada a atravesar una estrecha brecha a gran velocidad, produciendo la turbulencia y el esfuerzo de cizallamiento necesarios para separar la capa gruesa en nanopartículas delgadas. Las nanotabletas peladas resultantes mostraron una suspensión blanca estable, lo que confirmó intuitivamente el desprendimiento exitoso.

El proceso de descamación se verificó aún más con un microscopio electrónico de barrido (sem), como se muestra en la figura 2b. Las imágenes muestran que el bloque H - BNS está compuesto por gruesas capas apiladas, mientras que las nanotabletas H - BNS desprendidas muestran un espesor significativamente reducido y un tamaño transversal mayor. Esta transformación morfológica mejora la superficie de las nanopartículas H - bns, promueve una mejor interacción de interfaz con la matriz PP y ayuda a mejorar las propiedades de los materiales compuestos. El análisis de difracción de rayos X (xrd) proporcionó evidencia adicional de una eliminación exitosa de la cutículas (figura 2c). El mapa de xrd del bloque H - BNS muestra picos de difracción característicos en los valores de 2theta de 26,8, 41,7, 43,9, 50,2 y 55,2 °, correspondientes a los planos (002), (100), (101), (102) y (004) de la fase hexagonal H - bns, respectivamente, y se observa una disminución significativa de la intensidad del pico (002), acompañado de una extensión del pico. Estos cambios indican un debilitamiento de la pila de capas a lo largo del eje c, lo que confirma la separación de las capas H - bns. Además, el pico (002) se desvió hacia 26,3 ° y el espaciamiento (d002) fue de 0,35 nm, lo que indica un aumento de la separación entre capas, lo que confirma la exitosa producción de nanotabletas H - BNS desprendidas.

La preparación de un compuesto de polipropileno (pp) reforzado con nanopartículas H - BNB (e - hbn) desprendidas implica dos pasos clave, como se muestra en la figura 3. En el primer paso, las nanotabletas e - HBN se recubrieron uniformemente sobre partículas de PP utilizando un mezclador acústico de resonancia (figura 3a). Las ondas sonoras de alta frecuencia producidas por el mezclador acústico producen vibraciones rápidas, lo que permite que las nanopartículas e - HBN se dispersen uniformemente y se adhieran efectivamente a la superficie de las partículas pp. Este paso es fundamental porque garantiza que las nanopastillas se distribuyan uniformemente dentro de la matriz de polímeros durante el procesamiento posterior, mejorando así la uniformidad general y las propiedades del material compuesto. En el segundo paso, se realiza un proceso de extrusión por fusión de partículas PP recubiertas de H - lote (figura 3b). En este proceso, la mezcla se calienta para derretir el pp, facilitando la mezcla de nanochips con sustratos poliméricos. Este método no solo garantiza la incorporación uniforme de e - hbn, sino que también promueve una fuerte Unión de interfaz entre rellenos y polímeros.

Propiedades mecánicas de los materiales compuestos de PP reforzados por H - lote

El Hp puro mostró una excelente resistencia a la tracción (30,42 ± 1,5 mpa) en comparación con el polímero resistente al impacto pp (ip), gracias a su mayor cristalinidad. Sin embargo, el hp mostró una menor elongación y resiliencia, destacando su rigidez, pero una menor ductilidad. La adición de H - BNS apilados (hbn - hp) ha provocado una reducción de la resistencia a la tracción y la tenacidad, principalmenteDebido a la aglomeración de partículas H - bns, las partículas H - BNS actúan como concentradores de estrés y obstaculizan la transmisión de estrés..

Por el contrario, la incorporación de H - BNB pelado (e - HBN - hp) aumentó significativamente la resistencia a la tracción (32,88 ± 0,45 mpa, un 14,3%; P = 0,03) y tenacidad (1 MPa ± 11,73), un aumento del 11,6%; p = 0.07）。 estosEl aumento se atribuye a la dispersión uniforme de las nanopartículas e - HBN en la matriz de polímeros, logrando así una transmisión eficiente del estrés., como confirma la imagen de xrm (figura s1)

Por el contrario, debido al dominio de etileno en forma de caucho en la matriz, las muestras IP muestran una mayor elongación y tenacidad que HP. Sin embargo, la incorporación de H - BNS apilados (hbn - ip) reduce significativamente la elongación y la tenacidad, lo que puede deberse a la mala dispersión del relleno y a la débil interacción de la interfaz relleno - matriz. La incorporación de H - BNS pelados (e - HBN - ip) también ha provocado una reducción de la elongación y la resiliencia de las muestras ip, aunque esta reducción es menos pronunciada que la H - BNS apilada. Estas observaciones muestran que la mejora limitada de las propiedades mecánicas de los compuestos e - HBN - IP se debe a la mala interacción de interfaz entre la matriz IP y las nanopartículas H - bnp, así como a la heterogeneidad inherente de la matriz Ip. Esta tendencia es consistente con los resultados del estudio reportado por Chan y otros, que observaron cambios insignificantes en las propiedades mecánicas tras la adición de 10, 15 y 20% de H - bns.

Por lo tanto, las propiedades mecánicas de los materiales compuestos de PP se pueden mejorar significativamente mediante la incorporación de nanopartículas H - BNN desprendidas, especialmente en el polipropileno homogéneo. El aumento observado de la resistencia a la tracción y la resiliencia se atribuye a la dispersión uniforme y la transmisión efectiva del estrés lograda por el H - BNS pelado. La optimización de las técnicas de dispersión y el refuerzo de la interacción relleno - matriz pueden mejorar aún más las propiedades mecánicas de estos materiales compuestos, especialmente en sustratos con estructuras más complejas, como el polímero de impacto pp. las propiedades mecánicas de los materiales compuestos desarrollados en este estudio se comparan con los reportados en la literatura de materiales compuestos de PP reforzados por H - BNS (tabla 3). La resistencia a la tracción y la tenacidad logradas por los materiales compuestos de HP reforzados por e - HBN (e - HBN - hp) son competitivas, lo que demuestra la eficacia de pelar H - BNS para mejorar las propiedades de los materiales compuestos.

Propiedades térmicas de los compuestos de polipropileno reforzado con H - lote

La estabilidad térmica de los compuestos de polipropileno reforzado con H - lote (pp) se estudió mediante análisis termogravimétrico (tga) y análisis termogravimétrico derivado (dtga). La figura 5a muestra la curva TGA de H - BNS y H - BNS desprendidos (e - hbn), lo que indica que el propio H - BNS tiene una excelente estabilidad térmica y una pérdida de peso inferior al 1%.

Las muestras de e - HBN mostraron una menor pérdida de peso, atribuida a los residuos de poli (4 - vinilpiridina) (p4vp), que se utilizaron como dispersantes durante la preparación de e - hbn. Sin embargo, a pesar de la Alta estabilidad térmica del H - bns, la descomposición térmica del PP no mejoró significativamente después de la adición del H - bns, como se muestra en la figura 5b, c. La temperatura de descomposición de las muestras puras de hp, H - bnh - HP y E - HBN - HP es de unos 450 ° c, y la tasa de degradación es similar. Se observaron tendencias similares en las muestras H - bnip, por lo que la figura S2 proporciona los datos TGA y dtga de estas muestras. Esto sugiere que la adición de H - BNS no altera significativamente el comportamiento de descomposición térmica de la matriz pp, aunque la presencia de H - BNS ayuda a mantener la integridad estructural del material compuesto a temperaturas más altas.

La cristalinidad y las características de fusión de los materiales compuestos PP se analizan a través de la medición dsc. La fórmula para calcular el porcentaje de cristalización es:entreEs el calor de fusión de la muestra de pp,Es el calor de fusión del PP cristalino puro (207 J / g). Los porcentajes de cristalinidad del hp puro y del IP fueron del 35,3% y el 31,5%, respectivamente, y se observaron picos de fusión en ambas muestras a 163 ° c (figura 6a). La diferencia de cristalinidad entre HP e IP está relacionada con sus propiedades mecánicas, en las que HP tiene una mayor cristalinidad y muestra una mayor resistencia, mientras que la menor cristalinidad de IP ayuda a mejorar su ductilidad. A pesar de la adición de H - BNS al compuesto pp, las propiedades térmicas del PP no mejoraron significativamente, lo que indica que el refuerzo de H - BNS no tuvo un impacto significativo en la cristalinidad o las características de fusión de la matriz polimérica, como se muestra en la tabla 3.

Medir el tiempo de inducción de oxígeno (oit) para evaluar la estabilidad térmica oxidativa del compuesto pp (figura s3).

Los valores de OIT se determinan a 180 ° c, ya que los valores de OIT de 200 y 220 ° C no son realistas porque los valores son inferiores a 1 min. Para HP puro e ip, los valores de OIT son de 4,6 minutos y 11 minutos, respectivamente (figura 6b). La adición de H - BNS eleva el OIT del H - BNP - HP a 9,67 minutos y el OIT del H - BNP - IP a 26 minutos (figura 6c). Se observó un mayor fortalecimiento del H - BNB desprendido, lo que provocó que el valor de OIT del e - HBN - HP fuera de 13 minutos y el valor de OIT del e - HBN - ip fuera de 34 minutos (figura 6d). Estos resultados muestran que la adición de nitruro de Boron hexagonal (h - lote), especialmente su forma de desprendimiento (e - hbn), mejora significativamente la estabilidad a la oxidación y las propiedades térmicas de los compuestos de polipropileno (pp).El aumento observado en muestras de PP potenciadas por H - BNS y E - HBN en el tiempo inducido por la oxidación (oit) sugiere que H - BNS es una barrera efectiva para la difusión de oxígeno, retrasando así el inicio de la oxidación. Esta protección se ve reforzada aún más por la mejor dispersión de e - HBN en el sustrato pp, como demuestra el mayor valor de OIT de las muestras e - HBN - HP y E - HBN - ip en comparación con las muestras no peladas.Esta mejora de la estabilidad a la oxidación se debe en parte a la Alta conductividad térmica del H - bns, lo que mejora las propiedades de disipación de calor de los materiales compuestos. Además de la medición de iot, la medición de la conductividad térmica también puede proporcionar ideas importantes sobre las propiedades térmicas de los materiales compuestos. La adición de H - BNS conductores de calor mejora la conductividad térmica de la matriz PP y ayuda a una mejor disipación de calor. El compuesto reforzado con e - HBN muestra una mayor conductividad térmica (figura 7), lo que puede deberse a la dispersión de e - HBN en la matriz pp, que mejora las propiedades de disipación de calor del compuesto.

La resistencia a la oxidación de los materiales compuestos se evalúa mediante estudios de envejecimiento térmico, en los que las muestras de HP e IP se colocan a 120 ° C durante 250 y 500 horas para simular una exposición térmica a largo plazo. Para monitorear la formación de productos de oxidación, especialmente el Grupo carbonil (- c═ o), se utilizó el espectro infrarrojo de transformación de Ft (ftir).

El espectro FTIR (figura 8a) muestra carbonil en 1700 - 1780El Pico de absorción característico de la región, que indica la oxidación del polímero. El índice de carbonilo (ci) es un indicador eficaz para evaluar el grado de oxidación de las muestras de polímeros, calculado como pico de carbonilo (1700 - 1780)Intensidad y pico de referencia (2730)) Relación de intensidad. Como se esperaba, el envejecimiento térmico de las muestras puras de HP e IP provocó un aumento significativo de la intensidad del pico de carbonilo, y el índice de carbonilo (ic) mostró un aumento significativo. Para las muestras de hp, el valor de CI aumentó de 0,12 (puro) a 1,14 después de 250 H y a 1,17 después de 500 H de envejecimiento, lo que indica una oxidación masiva. Del mismo modo, en el caso de las muestras ip, los valores de CI aumentaron de 0,18 (puros) a 1,0 después de 250 H y de 1,25 a 1,25 después de 500 h, lo que indica una oxidación considerable con el tiempo. Sin embargo, la adición de nanotabletas H - BNS a la matriz PP mejoró significativamente la resistencia a la oxidación y los valores de CI de las muestras de HP e IP mejoradas por H - BNS y H - BNS desprendidos (e - hbn) fueron más bajos que los de las muestras envejecidas en caliente sin H - bns. Los resultados del FTIR apoyan aún más los resultados del estudio de la oit, confirmando que la adición de nanotabletas H - bnn, tanto sin descamación como sin descamación, mejora la resistencia a la oxidación de los compuestos de pp. En comparación con las muestras de PP envejecidas térmicamente sin H - bns, los valores de CI de las muestras mejoradas por H - BNS son más bajos, lo que indica una disminución del grado de oxidación. Esto demuestra que la incorporación de nanopartículas H - bns, especialmente las peladas, mejora la resistencia a la oxidación del material en condiciones de envejecimiento térmico.

VI. Conclusiones

Este estudio confirmó con éxito,Nitruro de Boron hexagonal desprendido (e - hbn)Como nanorelleno de alto rendimiento, puede mejorar significativamente las propiedades integrales de los materiales compuestos de polipropileno (pp). Sus conclusiones básicas son las siguientes:

1. La preparación y la dispersión son las claves: adoptadoMétodo de homogeneización de microchorroSe preparó con éxito el e - HBN y se aprobóMezcla acústica y extrusión por fusiónEl proceso combinado logró el e - HBN en la matriz de pp.Dispersión uniformeEsta es la base para mejorar el rendimiento.

2. Las propiedades mecánicas han mejorado significativamente (especialmente en hp): enJunju pp (hp)En el medio, se implementó la incorporación de e - HBNMejora simultánea de la resistencia y la tenacidadEn el polipropileno de polimerización de impacto (ip), debido a la compleja estructura de la matriz en sí, la mejora de las propiedades mecánicas es limitada.

3. La estabilidad de la oxidación térmica ha mejorado considerablemente.La adición de: e - HBN alarga significativamente el materialTiempo de inducción de la oxidación (oit)Y reduce efectivamente el Envejecimiento térmico.Índice de carbonilo (ic). Esto sugiere que el e - HBN puede actuar como barrera física, bloqueando efectivamente la difusión de oxígeno y retrasando la degradación oxidativa del pp.

4. Mejora de la conductividad térmica: E - HBN forma un canal de conducción térmica más eficaz en la matriz pp, lo que hace que el compuestoMejora de la conductividad térmica.

5. El comportamiento de descomposición térmica no se vio afectado significativamente.: la adición de rellenos no ha cambiado el PP en síTemperatura de descomposición térmicaSe muestra que mejora la estabilidad principalmente a través de acciones físicas, en lugar de cambiar el mecanismo de degradación química del polímero.

Solución integral para el tratamiento de homogeneización de microchorro