Estudo de desempenho de compostos de polipropileno reforçados por nanoplacas de nitreto de boro hexagonal

I. Apresentação

Este artigo é ligado ao tópico de aplicações de homogeneizadores de microrreio e tem um total de 11.500 palavras e leva cerca de 40 minutos para ser lido.

Resumo

Este estudo preparou nanoplacas de nitreto de boro hexagonal (e-hBN) de descarte por meio de homogeneização de microrreio e usou a técnica de extrusão fundida para combiná-las com polipropileno (PP). Os resultados mostraram que a dispersão uniforme do e-hBN no substrato PP é fundamental para melhorar significativamente várias propriedades dos materiais compostos: no PP homogênico (HP), o e-hBN aumenta simultaneamente a resistência ao traço e a resistência do material; No caso do PP (IP), as suas propriedades mecânicas são limitadas, mas a estabilidade antioxidante de todos os materiais compostos é significativamente melhorada devido ao efeito de barreira do e-hBN, e o índice de argínio após o envelhecimento térmico é significativamente reduzido. Além disso, a adição do e-hBN melhora a condutividade térmica dos materiais compostos. Em resumo, o e-hBN é um nano-preenchimento multifuncional que pode efetivamente conferir melhores propriedades integrais aos compostos PP.

Palavras-chave

Separação de nitreto de boro hexagonal; homogeneizador de microrreio; Materiais compostos de polipropileno; condutividade térmica; propriedades mecânicas; Estabilidade oxidativa

II. Quadro geral

Explicação de termos

III. Introdução

O objetivo deste estudo é resolver as limitações inerentes a materiais de polipropileno, como baixa condutividade térmica, má resistência antioxidante e resistência mecânica insuficiente, introduzindo o e-hBN. Apesar de apresentar uma combinação única de alta condutividade térmica e isolamento em comparação com os preenchimentos tradicionais, a má dispersão no matriz de polímero é um desafio fundamental. A inovação deste estudo consiste em explorar sistematicamente o efeito do processo de descarte sobre o efeito de dispersão do h-BN no substrato PP, com foco em avaliar o aumento do efeito deste e-hBN sobre as propriedades térmicas, mecânicas e antioxidantes de longo prazo dos materiais compostos, preenchendo as lacunas na pesquisa no campo.

IV. Processo Básico

Ligação	Passos principais	Detalhes e parâmetros principais
Preparação de materiais	Matéria-prima	-h-BNJapão Denka -PolímerosPP fornecido pela LyondellBasell (HPcomIP） -Solventes e dispersoresNMP e P4VP
h-BN desligação	Separação líquida	1. pré-dispersãoh-BN e P4VP misturados em NMP, corte de alta velocidade (5000 rpm, 1 h). 2. Homogenização de microrreio: Usando um homogeneizador de microrreio, em190 MPaPróximo ciclo5Segunda vez. 3. Pós-tratamento: Centrífuga, lavagem, liofilizaçãoe-hBNPó.
Preparação de materiais compostos	Mistura fundida	1. Pré- misturaUtilização:Misturador de ressonância acústicaMisture o preenchimento com as partículas de PP. 2. Extrução fundidaUtilização:Máquina de extrusão de dois parafusosRealizar mistura de fusão. 3. Moldagem por pressão a quenteUtilização:Máquina de prensaPressão a quente em folhas de teste padrão.
Caracterização e teste	Avaliação de desempenho	-Estrutura e Forma: XRD, SEM, 3D XRM -Propriedades térmicas: TGA, DSC (OIT), Coeficiente de condutividade térmica -Propriedades mecânicasTeste de alongamento -Estabilidade oxidativaFTIR (Índice CI de base)

V. Resultados e discussões

h-BN melhora a caracterização de compostos de PP

O estudo usou uma abordagem sistemática para preparar compostos de polipropileno reforçado H-BN. Primeiro, pela tecnologia de homogeneização de microrreio para a separação de fase líquida de h-BN, a caracterização SEM e XRD juntos confirmaram o sucesso da obtenção de nanoplacas de h-BN de separação com maior espaço de camada e menor espessura. Para alcançar a dispersão ideal do preenchimento no substrato, o estudo usou um misturador acústico de ressonância para pré-revestir os nanoficheiros de e-hBN sobre a superfície das partículas de PP e concluir a composição por extrusão de fusão. Esta estratégia de preparação estabelece as bases para obter materiais compostos de excelente desempenho, otimizando o processo de dispersão.

Para garantir a extração eficaz e dispersão uniforme das nanofichas de h-BN, o processo de extração em fase líquida que utiliza um homogeneizador de microrreio é usado. O método depende da aplicação de fortes forças de corte e alta pressão para superar eficazmente a forte força de Van der Waal entre as camadas de H-BN do corpo. A suspensão de h-BN é forçada a atravessar espaços estreitos a alta velocidade, gerando turbulência e tensão de corte necessárias para separar as camadas grossas em nanofichas finas. As nanofichas extraídas resultantes mostraram uma suspensão branca estável, confirmando intuitivamente a extração bem sucedida.

O processo de descarte foi validado ainda mais usando o microscópio eletrônico de varredura (SEM), como mostrado na Figura 2b. As imagens mostram que o h-BN em bloco é composto por camadas empilhadas espessas, enquanto os nanoficheiros de h-BN descascados apresentam uma espessura significativamente reduzida e um tamanho horizontal aumentado. Essa mudança morfológica aumenta a área superficial das nanofichas de h-BN, promove uma melhor interação de interface com a matriz de PP e ajuda a melhorar o desempenho dos materiais compósitos. A análise por difração de raios X (XRD) fornece evidências adicionais de uma descartação bem sucedida (Figura 2c). Os gráficos XRD do h-BN em bloco mostraram picos de difração característicos em valores de 2θ de 26,8, 41,7, 43,9, 50,2 e 55,2 °, correspondendo aos planos (002), (100), (101), (102) e (004) do h-BN hexagonal, respectivamente, observando uma diminuição significativa da intensidade do pico (002) acompanhada da largura do pico. Essas mudanças sugerem enfraquecimento da empilhagem de camadas ao longo do eixo C, confirmando a separação da camada h-BN. Além disso, o pico (002) é desviado em direção a 26,3 ° com uma distância (d002) de 0,35 nm, indicando um aumento na separação entre camadas, validando a produção bem sucedida de nanofichas de h-BN despejadas.

A preparação de um composto de polipropileno (PP) reforçado com nanofichas de h-BN (e-hBN) descascado envolve duas etapas-chave, como mostrado na Figura 3. No primeiro passo, os nanoficheiros de e-hBN são revestidos uniformemente sobre as partículas de PP usando um misturador acústico de ressonância (Figura 3a). As ondas sonoras de alta frequência geradas pelo misturador acústico produzem vibrações rápidas que permitem que os nanoficheiros e-hBN sejam uniformemente dispersos e efetivamente aderidos à superfície das partículas de PP. Esta etapa é essencial porque garante que as nanoplacas sejam distribuídas uniformemente no corpo de base de polímero durante o processamento posterior, aumentando assim a uniformidade e o desempenho geral dos materiais compósitos. Na segunda etapa, as partículas de PP revestidas com h-BN são extrudidas por fusão (Figura 3b). Neste processo, a mistura é aquecida para derreter o PP, facilitando a mistura das nanoplacas com a matriz do polímero. Esta abordagem não só garante a integração uniforme do e-hBN, mas também promove uma ligação de interface sólida entre o enchimento e o polímero.

h-BN melhora as propriedades mecânicas dos compostos de PP

O HP puro apresenta uma excelente resistência à tração (30,42 ± 1,5 MPa) em comparação com o PP (IP), graças à sua maior cristalidade. No entanto, a HP mostrou menor elasticidade e resiliência, destacando sua rigidez, mas menor extensibilidade. A adição de empilhamento h-BN (hBN-HP) resulta em uma redução da resistência ao alongamento e da tenacidade, principalmente porDevido à reunião das partículas de h-BN, as partículas de h-BN atuam como concentradores de estresse e impedem a transmissão de estresse- É.

Em vez disso, a incorporação de h-BN (e-hBN-HP) descascado aumentou significativamente a resistência à tração (32,88 ± 0,45 MPa, um aumento de 14,3%); p = 0,03) e resistência (1 MPa ± 11,73, aumento de 11,6%; p = 0.07）。 Estes.Melhorias atribuídas à dispersão uniforme das nanofichas e-hBN na matriz do polímero, permitindo assim uma transferência de estresse eficientecomo confirmado pela imagem XRM (Figura S1).

Em contraste, devido ao domínio de borracha de vinilo no substrato, as amostras IP mostraram maior elasticidade e resistência em comparação com HP. No entanto, a incorporação de h-BN empilhado (hBN-IP) reduziu significativamente a elasticidade e a resiliência, provavelmente devido à má dispersão do preenchimento e a interação fraca da interface preenchimento-matriz. A incorporação de h-BN descascado (e-hBN-IP) também resultou em redução da elasticidade e resiliência das amostras de IP, embora essa redução seja menos evidente em comparação com o h-BN empilhado. Essas observações sugerem que a melhoria limitada nas propriedades mecânicas do composto e-hBN-IP decorre da má interação de interface entre o substrato IP e o nanoplaque h-BN, bem como da heterogeneidade inerente do substrato IP. Esta tendência é consistente com os resultados relatados por Chan et al., que observaram mudanças insignificantes nas propriedades mecânicas após a adição de 10%, 15% e 20% de h-BN.

Portanto, a adição de nanofichas de h-BN descascadas, especialmente em PP homogênico, pode melhorar significativamente as propriedades mecânicas dos compostos de PP. O aumento observado da resistência à tracção e resiliência é atribuído à dispersão uniforme e efetiva da transferência de tensão alcançada pela descascagem de h-BN. A otimização das técnicas de dispersão e a melhoria das interações preenchimento-matriz podem melhorar ainda mais as propriedades mecânicas desses compostos, especialmente em matrizes com estruturas mais complexas, como o copolímero de impacto PP. As propriedades mecânicas dos compostos desenvolvidos neste estudo foram comparadas com a documentação sobre compostos de PP reforçados por h-BN (Tabela 3). A resistência ao traço e a resistência competitivas alcançadas com o composto HP e-hBN (e-hBN-HP) demonstram a eficácia da separação do h-BN na melhoria do desempenho do composto.

h-BN melhora as propriedades térmicas dos compostos de polipropileno

A estabilidade térmica do composto de polipropileno (PP) reforçado por h-BN foi estudada usando análise térmica-pesada (TGA) e análise térmica-pesada derivada (DTGA). A Figura 5a mostra a curva TGA do h-BN e do h-BN (e-hBN) descartado, mostrando que o h-BN em si tem uma excelente estabilidade térmica com perda de peso inferior a 1%.

As amostras de e-hBN apresentaram menor perda de peso, atribuída ao resíduo de poli(4-vinilpiridina) (P4VP), usado como dispersor durante a preparação de e-hBN. No entanto, apesar da alta estabilidade térmica do h-BN, a decomposição térmica do PP não melhorou significativamente após a adição de h-BN, como mostrado na Figura 5b, c. As amostras puras de HP, h-BN-HP e e-hBN-HP têm uma temperatura de decomposição de cerca de 450 °C e taxas de decomposição semelhantes. Tendências semelhantes foram observadas em amostras h-BN-IP, portanto, a Figura S2 fornece dados TGA e DTGA para essas amostras. Isso sugere que a adição de h-BN não altera significativamente o comportamento de decomposição térmica do matriz PP, embora a presença de h-BN ajude a manter a integridade estrutural do composto a temperaturas mais altas.

Analise a cristalidade e as propriedades de fusão dos compostos de PP com medições DSC. A fórmula de cálculo da percentagem de cristalidade é:Dos quaisÉ o calor fundido da amostra de PP,É o calor de fusão de PP cristalino puro (207 J / g). As porcentagens de cristalidade de HP e IP puros foram de 35,3% e 31,5%, respectivamente, com picos de fusão observados em ambas as amostras a 163 °C (Figura 6a). A diferença de cristalidade entre HP e IP está relacionada com suas propriedades mecânicas, onde HP tem uma cristalidade mais alta e mostra maior resistência, enquanto IP com uma cristalidade mais baixa ajuda a aumentar sua escalabilidade. Apesar da adição de h-BN ao composto de PP, as propriedades térmicas do PP não melhoraram significativamente, sugerindo que o aumento de h-BN não teve um efeito significativo sobre a cristalidade ou as propriedades de fusão do matriz do polímero, como mostrado na Tabela 3.

Medir o tempo de indução de oxigênio (OIT) para avaliar a estabilidade térmica oxidativa do composto PP (Figura S3).

Os valores OIT são medidos a 180 °C, porque os valores OIT de 200 e 220 °C são impraticáveis devido a valores menores de 1 min. Para HP puro e IP, os valores de OIT são de 4,6 minutos e 11 minutos, respectivamente (Figura 6b). A adição de h-BN aumentou o OIT de h-BN-HP para 9,67 minutos e o OIT de h-BN-IP para 26 minutos (Figura 6c). Um aumento adicional do h-BN descartado foi observado, resultando em um valor de OIT de 13 minutos para e-hBN-HP e um valor de OIT de 34 minutos para e-hBN-IP (Figura 6d). Estes resultados sugerem que a adição de nitreto de boro hexagonal (h-BN), especialmente a sua forma de descarte (e-hBN), melhora significativamente a estabilidade oxidativa e as propriedades térmicas dos compostos de polipropileno (PP).O aumento do tempo de indução de oxidação (OIT) observado em amostras de PP reforçadas com h-BN e e-hBN sugere que o h-BN é uma barreira eficaz para a difusão do oxigênio, retardando o início da oxidação. A melhor dispersão do e-hBN na matriz PP reforça ainda mais esse efeito protetor, como evidenciado por valores de OIT mais elevados em amostras de e-hBN-HP e e-hBN-IP em comparação com amostras não descascadas.Esta melhoria na estabilidade oxidativa é atribuída em parte à alta condutividade térmica do h-BN, o que melhora as propriedades de dissipação térmica dos materiais compósitos. Além da medição OIT, a medição do coeficiente de condutividade térmica também fornece informações importantes sobre as propriedades térmicas dos materiais compostos. A adição de h-BN condutor térmico melhora a condutividade térmica do substrato PP e contribui para uma melhor dissipação de calor. Os compostos reforçados com e-hBN apresentam maior condutividade térmica (Figura 7), provavelmente devido à dispersão do e-hBN no substrato PP, que melhora as propriedades de dissipação térmica dos compostos

A antioxidação dos compostos foi avaliada por meio de estudos de envelhecimento térmico, em que amostras HP e IP foram colocadas a 120 °C por 250 e 500 h para simular a exposição térmica a longo prazo. Para monitorar a formação de produtos oxidativos, especialmente grupos argilo (-C=O), o espectro de transformação de Fourier em infravermelho (FTIR) é usado.

Espectroscopia FTIR (Figura 8a) mostra a base radica em 1700–1780A região é caracterizada por picos de absorção, o que indica a oxidação do polímero. O Índice de Gugi (IC) é um indicador eficaz para avaliar o grau de oxidação de amostras de polímeros, calculado como picos de Gugi (1700-1780).intensidade e pico de referência (2730)proporção de força). Como esperado, o envelhecimento térmico de amostras puras de HP e IP resultou em um aumento significativo da intensidade do pico de gangue, com o Índice de Gangue (IC) mostrando um aumento significativo. Para amostras HP, o valor de CI aumentou de 0,12 (puro) para 1,14 após 250 h e para 1,17 após 500 h de envelhecimento, indicando uma quantidade significativa de oxidação. Da mesma forma, para amostras IP, o valor de IC aumentou de 0,18 (puro) para 1,0 após 250 h e de 1,25 para 1,25 após 500 h, indicando uma oxidação significativa ao longo do tempo. No entanto, a adição de nanofichas de h-BN à matriz de PP aumentou significativamente a antioxidação, com valores de IC mais baixos para amostras de HP e IP reforçadas com h-BN e h-BN (e-hBN) descascado em comparação com amostras de envelhecimento térmico sem h-BN. Os resultados do FTIR apoiam ainda mais os resultados do estudo do OIT, confirmando que a adição de nanofichas de h-BN, quer não descascar ou descascar, aumenta a resistência aos compostos de PP. Em comparação com amostras de PP termoenvelhecidas que não contêm h-BN, o valor de IC das amostras reforçadas com h-BN é menor, indicando um grau menor de oxidação. Isto sugere que a incorporação de nanofichas de h-BN, especialmente de nanofichas descascadas, aumenta a resistência antioxidante do material em condições de envelhecimento térmico.

VI. Conclusões

Este estudo confirmou com sucesso,Nitreto de boro hexagonal (e-hBN)Como um nano-preenchimento de alto desempenho, pode melhorar significativamente as propriedades integrais de compostos de polipropileno (PP). As principais conclusões são as seguintes:

1. Preparação e dispersão são essenciais: AdoçãoHomogeneidade de microrreioO e-hBN foi preparado com sucesso e aprovadoMistura acústica e extrusão de fusãoProcesso combinado para implementar e-hBN em uma matriz PPDispersão uniformeEssa é a base para a melhoria do desempenho.

2. Melhoria significativa das propriedades mecânicas (especialmente no HP): emPP homogênico (HP)A adição do e-hBN foi realizada.Aumento sincrónico da força e da resistênciaNo PP (IP), a melhoria das propriedades mecânicas é limitada devido à estrutura complexa do próprio organismo.

3. Estabilidade de oxidação térmica significativamente melhoradaA adição de e-hBN prolonga significativamente o materialTempo de indução de oxidação (OIT)Reduz eficazmente o envelhecimento térmico.Índice de Guixi (CI)Isso sugere que o e-hBN pode servir como barreira física para impedir eficazmente a difusão do oxigênio e retardar a degradação oxidativa do PP.

4. Condutividade térmica melhoradae-hBN forma uma via condutora de calor mais eficaz no substrato PP, permitindo que o material compostoCondutividade térmica melhorada- É.

5. Comportamento de decomposição térmica não afetado significativamenteA adição de embalagens não altera o próprio PPTemperatura de decomposição térmicaIsso mostra que aumenta a estabilidade principalmente por meio de efeitos físicos, em vez de alterar o mecanismo de degradação química dos polímeros.

Solução integral para homogeneização de microrreio