基于实验和理论的纳米氧化锌/聚丙烯复合膜中氧化锌的迁移研究

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纳米氧化锌(ZnO)是具有多种功能的新型无机填料,将其与聚丙烯进行复合能获得许多优良的性能。聚丙烯按结构可分为三种,分别为均聚聚丙烯(PPH)、嵌段共聚聚丙烯(PPB)和无规共聚聚丙烯(PPR)。本文主要从实验和理论两个方面分别研究了不同结构PP对纳米ZnO迁移的影响,并比较分析了实验和理论结果。对自制的9种不同类型的薄膜(b-PPH、b-PPB、b-PPR、ZnO-PPH、ZnO-PPB、ZnO-PPR、ZnO-PPH#、ZnO-PPB#、ZnO-PPR#)进行了性能检测。DSC分析表明,纳米ZnO改变了聚丙烯的结晶度,使PPH的结晶度从88.6%降低到74.7%,使PPB和PPR的结晶度略有提高。红外图谱则显示纳米ZnO和钛酸酯偶联剂(HY13B)之间能形成新的化学键,整体以物理形式分散于PP聚合物中。通过微波消解前处理结合ICP-OES方法检测了复合膜中纳米ZnO的含量,参考EU 10/2011和GB 31604等研究了迁移行为。温度和时间对纳米ZnO迁移的影响符合一般迁移物的规律;不同结构PP复合膜之间,在平衡时迁移率存在差异,PPH中迁移率远大于在PPB和PPR,而PPR中迁移率最小;钛酸酯偶联剂不但可以减少纳米ZnO/PP复合膜制备流程中的损失,还对纳米ZnO的迁移起到明显的抑制作用;乙酸的浓度越高,纳米ZnO的迁移量越大,并发现在低浓度区间,两者的线性关系明显(R在0.97910.9959之间);重复实验发现纳米ZnO的迁移量随着次数增多迅速降低,主要集中在第一次与乙酸溶液接触时,占比达到62.4%以上。PP中纳米氧化锌向3%乙酸溶液的迁移机制为表面脱落和表面化学溶解,在基质内部的颗粒不易迁出。利用Material Studio建立了两相分子动力学模型体系,分别模拟了三种不同结构PP中纳米氧化锌团簇的扩散运动,计算得到了扩散系数的模拟值(Dsim)。结果显示PR-Ac体系的扩散系数最小,PH-Ac和PB-Ac体系的扩散系数稍大,Dsim为1.147.15×10-7。纳米氧化锌的扩散系数随温度升高而增大。高温可以使聚合物链段活性增强,自由体积变大,涨落幅度变宽,团簇可以访问的空间和机会增多。运动轨迹表明纳米ZnO随着聚合物链的运动,从某一空间跳跃或平移到下一空间,并在该小范围的空间内蠕动。聚合物链的结构影响了纳米团簇的运动范围,同一温度下,在PH-Ac体系中运动轨迹分布范围最广,PB-Ac体系中次之,PR-Ac体系中最小。然而,模型有待进一步改善。利用Fick第二定律拟合实验数据,获得扩散系数的实验值Dexp。Matlab拟合曲线决定系数为0.80530.9897,线性关系较好,建立的迁移方程可用于拟合实验值,Dexp为1.94×10-145.39×10-10。基于分子动力学的模拟值Dsim远远大于基于实验的拟合值Dexp,说明分子动力学模型不适合预测纳米ZnO在PP中的扩散,严重高估了扩散系数。原因可能是力场存在缺陷或模拟体系的规模偏小,未能接近真实迁移情况,但模拟在定性上是可行的,显示出纳米ZnO在PPR结构中扩散系数最小的规律。同时用Scatchard-Hildebrand统计热力学模型预测了分配系数,发现预测的分配系数高于实验测定的分配系数,需要引入更多因子对模型进行修正。
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