Exfolierte sechsseitige Bornitrid-Nanofolen verbessern die Leistung von Polypropylen-Verbundwerkstoffen

I. Vorstellung

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Zusammenfassung

In dieser Studie wurden stripped sechsseitige Bornitrid-Nanofolen (e-hBN) durch Mikrostrahlhomogenität hergestellt und mit Polypropylen (PP) mit Schmelzextrusionstechnik kombiniert. Die Ergebnisse zeigten, dass eine gleichmäßige Streuung von e-hBN im PP-Substrat entscheidend ist, was eine Vielzahl von Eigenschaften des Verbundwerkstoffs erheblich verbessern kann: In homogenem PP (HP) erhöht e-hBN gleichzeitig die Zugfestigkeit und Zähigkeit des Materials; Bei der Impuls-Copolymerisierung PP (IP) ist die Verbesserung seiner mechanischen Eigenschaften begrenzt, aber die antioxidative Stabilität aller Verbundstoffe wurde durch die Barrierewirkung von e-hBN erheblich verbessert und der Animium-Index nach der thermischen Alterung deutlich verringert. Darüber hinaus verbessert der Zugang von e-hBN die Wärmeleitfähigkeit von Verbundwerkstoffen. Zusammenfassend ist e-hBN ein vielseitiger Nanofüllstoff, der effektiv PP-Verbundstoffen eine bessere Gesamtleistung verleiht.

Schlüsselwörter

Entfernen von sechsseitigem Bornitrid; Mikrostrahlhomogeneizer; Polypropylenverbundstoffe; Wärmeleitfähigkeit; mechanische Eigenschaften; Oxidationsstabilität

II. Gesamtrahmen

Begriffserklärung

III. Einleitung

Diese Studie zielt darauf ab, die Einschränkungen von Polypropylenmaterialien wie geringe Wärmeleitfähigkeit, schlechte Oxidationsbeständigkeit und unzureichende mechanische Festigkeit durch die Einführung von e-hBN zu lösen. Obwohl h-BN eine einzigartige Kombination von hoher Wärmeleitfähigkeit und Isolierung im Vergleich zu herkömmlichen Füllstoffen aufweist, ist seine schlechte Dispersion im Polymermatrix eine entscheidende Herausforderung. Die Innovation dieser Studie besteht darin, systematisch die Auswirkungen des Exfolierungsprozesses auf die Dispersionswirkung von h-BN in PP-Substraten zu untersuchen und die verbesserte Wirkung dieses e-hBN auf die thermischen, mechanischen und langfristigen antioxidativen Eigenschaften von Verbundstoffen zu bewerten, um die Forschungslücken auf diesem Gebiet zu füllen.

4. Grundprozess

Links	Kernstufen	Wichtige Details und Parameter
Materialvorbereitung	Rohmaterial	-h-BNJapanische Denka -PolymerePP von LyondellBasell (HPundIP-Adresse） -Lösungsmittel und DispersionsmittelNMP und P4VP
H-BN Entfernung	Flüssige Entfernung	1. VorverteiltH-BN und P4VP werden in NMP gemischt und schneiden mit hoher Geschwindigkeit (5000 U/min, 1 h). 2. MikrostrahlhomogenisierungVerwendung von Mikrostrahlhomogenen, invon 190 MPaNächster Zyklus5Zweimal. 3. Nachbearbeitung: Zentrifugieren, Waschen, Gefriertrocknen erhaltene-HBNPulver.
Herstellung von Verbundstoffen	Schmelzen Mischen	1. Vorgemischt: VerwendenAkustische ResonanzmischerFüllstoffe mit PP-Partikeln vermischen. 2. Schmelze Extrusion: VerwendenDoppelschraubeextruderDurchführung der Schmelzvermischung. 3. Wärmedruckformung: VerwendenTablettenpresseWärmedruck in Standard-Testblätter.
Charakterisierung und Prüfung	Leistungsbewertung	-Struktur und FormXRD, SEM, 3D XRM -Wärmeleistung: TGA, DSC (OIT), Wärmeleitfähigkeit -Mechanische Eigenschaften: Zugprüfung -OxidationsstabilitätFTIR (Indizes CI)

V. Ergebnisse und Diskussionen

h-BN verbessert die Charakterisierung von PP-Verbundstoffen

In der Studie wurde ein h-BN-verstärkter Polypropylenverbundstoff mit einem systematischen Ansatz hergestellt. Zunächst durch die Mikrostrahlhomogenisierungstechnik für die flüssige Phasenentscheidung von h-BN, SEM und XRD Charakterisierung gemeinsam bestätigt, dass erfolgreich die Entscheidung von H-BN-Nanoplaten mit vergrößertem Schichtabstand und verringerter Dicke erzielt wurde. Um die ideale Dispersion des Füllstoffs im Substrat zu erreichen, wurden die e-hBN-Nanofolen mit einem Resonanz-Akustikmischer auf die PP-Partikeloberfläche überzogen und die Komposition durch Schmelzextrusion abgeschlossen. Diese Vorbereitungsstrategie bildet durch die Optimierung des Dispersionsprozesses die Grundlage für ein leistungsstarkes Verbundmaterial.

Um eine effektive Entfernung und gleichmäßige Streuung von h-BN-Nanoplaten zu gewährleisten, wird ein flüssiger Phasenentfernungsprozess mit einem Mikrostrahlhomogeneizer verwendet. Diese Methode stützt sich auf die Ausübung starker Scherkraft und hohen Druck und überwindet effektiv die starke Van der Waal-Kraft zwischen den H-BN-Schichten des Körpers. Die h-BN-Suspension wird mit hoher Geschwindigkeit durch enge Lücken gezwungen, wodurch Turbulenzen und Schnittspannungen entstehen, die erforderlich sind, um dicke Schichten in dünne Nanoflieder zu trennen. Die resultierenden Peeling Nanoplates zeigen eine stabile weiße Suspension, die intuitiv eine erfolgreiche Peeling bestätigt.

Der Abtrennprozess wurde mit dem Scan-Elektronenmikroskop (SEM) weiter validiert, wie in Abbildung 2b gezeigt. Das Bild zeigt, dass blockförmige h-BN aus dicken Stapelschichten besteht, während die abgezogenen h-BN-Nanoplates eine deutlich reduzierte Dicke und eine erhöhte Quergröße zeigen. Diese morphologische Veränderung erhöht die Oberfläche der h-BN-Nanophile, fördert eine bessere Schnittstellenwechselwirkung mit dem PP-Matrix und trägt zur Verbesserung der Eigenschaften von Verbundstoffen bei. Die Röntgendiffraktionsanalyse (XRD) liefert zusätzliche Beweise für eine erfolgreiche Dehornierung (Abbildung 2c). Das XRD-Diagramm des blockförmigen h-BN zeigt charakteristische Diffraktionsspitzen bei 2θ-Werten von 26,8, 41,7, 43,9, 50,2 und 55,2°, die den Ebenen (002), (100), (101), (102) und (004) des sechsförmigen h-BN entsprechen. Diese Änderungen deuten auf eine Schwächung des Schichtstapels entlang der C-Achse hin und bestätigen die Trennung der H-BN-Schichten. Darüber hinaus (002) Spitzenverschiebung um 26,3 ° mit einem Abstand (d002) von 0,35 nm, was auf eine erhöhte Trennung zwischen Schichten hindeutet und die erfolgreiche Produktion der abgetrennten h-BN-Nanoplates bestätigt.

Die Herstellung von Polypropylen (PP) -Verbundstoffen, die mit abgezogenen h-BN (e-hBN) Nanoplates verstärkt sind, umfasst zwei wichtige Schritte, wie in Abbildung 3 gezeigt. Im ersten Schritt werden die e-hBN-Nanofolen mit einem Resonanz-Akustikmischer gleichmäßig auf PP-Partikel beschichtet (Abbildung 3a). Die durch den akustischen Mixer erzeugten Hochfrequenzschaltwellen erzeugen schnelle Vibrationen, die es ermöglichen, dass die e-hBN-Nanoplates gleichmäßig verteilt und effektiv an der Oberfläche der PP-Partikel haften. Dieser Schritt ist von entscheidender Bedeutung, da er gewährleistet, dass die Nanofolen während der anschließenden Verarbeitung gleichmäßig im Polymerkörper verteilt sind, wodurch die Gesamtgleichmäßigkeit und die Leistung des Verbundwerkstoffs verbessert werden. Im zweiten Schritt wird ein Schmelzextrusionsverfahren für PP-Partikel mit H-BN-Beschichtung durchgeführt (Abbildung 3b). Während dieses Prozesses wird die Mischung erhitzt, um PP zu schmelzen, was die Mischung von Nanoplaten mit der Polymermatriz fördert. Diese Methode gewährleistet nicht nur eine homogene Einmischung von e-hBN, sondern fördert auch eine feste Grenzflächenbindung zwischen Füllstoffen und Polymeren.

h-BN verbessert die mechanischen Eigenschaften von PP-Verbundstoffen

Im Vergleich zum stoßbeständigen Polymer PP (IP) zeigt reines HP eine hervorragende Zugfestigkeit (30,42 ± 1,5 MPa), dank seiner höheren Kristallinität. HP zeigt jedoch eine geringere Dehnbarkeit und Zähigkeit, die seine Steifigkeit unterstreicht, aber eine geringere Dehnbarkeit. Der Zusatz des Stapels h-BN (hBN-HP) führt zu einer Verringerung der Zugfestigkeit und Zähigkeit, die hauptsächlich durchDurch die Reunion von h-BN-Partikeln wirken h-BN-Partikel als Spannungskonzentrator und behindern die Spannungsübertragung.

Im Gegensatz dazu erhöhte die Einbindung von peeled h-BN (e-hBN-HP) deutlich die Zugfestigkeit (32,88 ± 0,45 MPa, eine Steigerung von 14,3%; p = 0,03) und Zähigkeit (1 MPa ± 11,73, 11,6% erhöht; p = 0.07）。 dieseDie Verbesserung ist auf die gleichmäßige Streuung der e-hBN-Nanophiles in der Polymermatriz zurückzuführen, wodurch eine effiziente Spannungsübertragung erzielt wirdWie die XRM-Bildgebung bestätigt hat (Abbildung S1)

Im Gegensatz dazu zeigen IP-Proben eine höhere Dehnbarkeit und Zähigkeit im Vergleich zu HP aufgrund der gummiförmigen Vinylstruktur im Substrat. Die Einbindung von Stapel-h-BN (hBN-IP) reduziert jedoch die Dehnbarkeit und Zähigkeit erheblich, was möglicherweise aufgrund einer schlechten Füllstoffdispersion und einer schwachen Füllstoff-Matrix-Wechselwirkung verursacht werden kann. Die Einbindung von abgeschiedenem h-BN (e-hBN-IP) führte auch zu einer Verringerung der Dehnung und Zähigkeit der IP-Probe, obwohl diese Verringerung im Vergleich zu gestapeltem h-BN weniger deutlich war. Diese Beobachtungen zeigen, dass eine begrenzte Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des e-hBN-IP-Verbundwerkstoffs durch eine schlechte Schnittstellenwechselwirkung zwischen der IP-Substrat und der h-BN-Nanoplate sowie die inhärente Heterogenität der IP-Substrat entsteht. Dieser Trend steht im Einklang mit den Ergebnissen, die Chan et al. berichteten, und sie beobachteten, dass Veränderungen in den mechanischen Eigenschaften nach der Zugabe von 10%, 15% und 20% h-BN vernachlässigbar waren.

Daher können die mechanischen Eigenschaften von PP-Verbundstoffen durch Zugabe von abgetrennten h-BN-Nanofilen, insbesondere in homogenem PP, erheblich verbessert werden. Die beobachtete Steigerung der Zugfestigkeit und Zähigkeit ist auf eine gleichmäßige Streuung und eine effektive Spannungsübertragung durch die Abtrennung von H-BN zugeschrieben. Die Optimierung der Dispersionstechnik und die Verbesserung der Füllstoff-Matrix-Wechselwirkungen können die mechanischen Eigenschaften dieser Verbundstoffe weiter verbessern, insbesondere in Matrixen mit komplexeren Strukturen, wie z. B. dem Stoßcopolymer PP. Die mechanischen Eigenschaften der in dieser Studie entwickelten Verbundstoffe wurden mit der Literaturberichte über Verbundstoffe mit H-BN-Verbesserung von PP verglichen (Tabelle 3). Die wettbewerbsfähige Zugfestigkeit und Zähigkeit, die mit HP-Verbundwerkstoffen (e-hBN-HP) erreicht werden, beweisen die Wirksamkeit der Abtrennung von h-BN bei der Verbesserung der Verbundwerkstoffeigenschaften.

h-BN verbessert die thermischen Eigenschaften von Polypropylenverbundstoffen

Die thermische Stabilität von h-BN-Verbundstoffen aus Polypropylen (PP) wurde mithilfe der Wärmegewichtsanalyse (TGA) und der abgeleiteten Wärmegewichtsanalyse (DTGA) untersucht. Abbildung 5a zeigt die TGA-Kurve von h-BN und abgefallenem h-BN (e-hBN), was darauf hindeutet, dass h-BN selbst eine ausgezeichnete thermische Stabilität mit einem Gewichtsverlust von weniger als 1% aufweist.

E-hBN-Proben zeigten einen geringeren Gewichtsverlust, der auf das verbleibende Poly(4-Vinylpyridin) (P4VP) zurückzuführen ist, das als Dispersionsmittel bei der Herstellung von e-hBN verwendet wird. Trotz der hohen thermischen Stabilität von h-BN hat sich der thermische Abbau von PP nach Zugabe von h-BN jedoch nicht deutlich verbessert, wie in Abbildung 5b, c gezeigt. Reine HP-, h-BN-HP- und e-hBN-HP-Proben haben eine Zersetzungstemperatur von etwa 450 °C und eine ähnliche Zersetzungsrate. Ähnliche Trends wurden in h-BN-IP-Proben beobachtet, so dass Abbildung S2 die TGA- und DTGA-Daten für diese Proben liefert. Dies deutet darauf hin, dass die Zugabe von h-BN das thermische Abbau des PP-Matrix nicht signifikant verändert, obwohl die Anwesenheit von h-BN dazu beiträgt, die strukturelle Integrität des Verbundwerkstoffs bei höheren Temperaturen zu erhalten.

Analyse der Kristallität und Schmelzeigenschaften von PP-Verbundstoffen durch DSC-Messungen. Die Formel zur Berechnung des Prozentsatz der Kristallinität lautet:Vonist die Schmelze der PP-Probe,Die Schmelze von reinem kristallinem PP (207 J/g). Die prozentualen Kristallizitäten von reinem HP und IP betrugen 35,3 % bzw. 31,5 %, wobei bei beiden Proben Schmelzspitzen bei 163 °C beobachtet wurden (Abbildung 6a). Der Kristallinitätsunterschied zwischen HP und IP hängt mit ihren mechanischen Eigenschaften zusammen, wobei HP eine höhere Kristallinität hat, die eine höhere Festigkeit zeigt, während eine niedrigere IP-Kristallinität dazu beiträgt, seine Dehnbarkeit zu verbessern. Trotz der Hinzufügung von h-BN zu PP-Verbundstoffen verbesserten sich die thermischen Eigenschaften von PP nicht deutlich, was darauf hindeutet, dass die h-BN-Verstärkung keine signifikanten Auswirkungen auf die Kristallizität oder die Schmelzeigenschaften des Polymermatrix hatte, wie in Tabelle 3 gezeigt.

Messung der Sauerstoffinduktionszeit (OIT), um die oxidative thermische Stabilität von PP-Verbundstoffen zu bewerten (Abbildung S3).

Der OIT-Wert wird bei 180 °C ermittelt, da OIT-Werte bei 200 und 220 °C aufgrund von Werten unter 1 min unrealistisch sind. Für reine HP und IP beträgt der OIT-Wert 4,6 Minuten bzw. 11 Minuten (Abbildung 6b). Hinzufügen von h-BN erhöht die OIT von h-BN-HP auf 9,67 Minuten und OIT von h-BN-IP auf 26 Minuten (Abbildung 6c). Eine weitere Verbesserung des Abfallens von h-BN wurde beobachtet, was zu einem OIT-Wert von 13 Minuten für e-hBN-HP und einem OIT-Wert von 34 Minuten für e-hBN-IP führte (Abbildung 6d). Diese Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von sechsseitigem Bornitrid (h-BN), insbesondere seiner Entfernungsform (e-hBN), die Oxidationsstabilität und die thermischen Eigenschaften von Polypropylenverbundstoffen (PP) erheblich verbessert.Die Erhöhung der Oxidationsinduzierungszeit (OIT), die in h-BN- und e-hBN-verstärkten PP-Proben beobachtet wurde, zeigt, dass h-BN eine wirksame Barriere für die Sauerstoffdiffusion ist, die den Beginn der Oxidation verzögert. Diese Schutzwirkung wird durch eine bessere Diffusion von e-hBN in der PP-Matrix weiter verstärkt, was durch einen höheren OIT-Wert von e-hBN-HP- und e-hBN-IP-Proben im Vergleich zu ungeschielten Proben bestätigt wird.Diese Verbesserung der Oxidationsstabilität ist teilweise auf die hohe Wärmeleitfähigkeit von h-BN zurückzuführen, was die Wärmeabkühlungseigenschaften des Verbundwerkstoffs verbessert. Neben der OIT-Messung bietet die Wärmeleitfähigkeitsmessung wichtige Einblicke in die thermischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen. Die Hinzufügung von wärmeleitendem h-BN verbessert die Wärmeleitfähigkeit des PP-Substrats und trägt zu einer besseren Wärmeabfuhr bei. e-hBN verstärkte Verbundwerkstoffe zeigen eine höhere Wärmeleitfähigkeit (Abbildung 7), was wahrscheinlich auf die Dispersion von e-hBN in PP-Substraten zurückzuführen ist, die die Wärmeabkühlungseigenschaften des Verbundwerkstoffes verbessern

Die Antioxidanz von Verbundstoffen wurde durch eine thermische Alterungsstudie bewertet, in der HP- und IP-Proben bei 120 °C für 250 und 500 h zur Simulation einer langfristigen Wärmeexposition platziert wurden. Zur Überwachung der Bildung von Oxidationsprodukten, insbesondere von Radiol (-C = O) Gruppen, wird das Fourier-Transformation-Infrarot-Spektrum (FTIR) verwendet.

FTIR-Spektrum (Abbildung 8a) zeigt Radium in 1700–1780Die Region ist gekennzeichnet durch Absorptionsspitzen, die auf die Oxidation des Polymers hindeuten. Der Glycid-Index (CI) ist ein effektiver Indikator für die Beurteilung des Oxidationsgrades von Polymerproben, berechnet als Glycid-Spitze (1700-1780).Stärke und Referenzspitz (2730)(Intensitätsverhältnis). Wie erwartet führte die thermische Alterung von reinen HP- und IP-Proben zu einer erheblichen Steigerung der Spitzenintensität und zeigte einen deutlichen Anstieg des Spitzenindexes (CI). Bei HP-Proben stieg der CI-Wert nach 250 h von 0,12 (rein) auf 1,14 und nach 500 h Alterung auf 1,17, was auf eine hohe Oxidationsmenge hindeutet. In ähnlicher Weise erhöhte sich der CI-Wert von 0,18 (rein) auf 1,0 nach 250 h und von 1,25 auf 1,25 nach 500 h, was auf eine erhebliche Oxidation im Laufe der Zeit hindeutet. Allerdings erhöhte das Hinzufügen von h-BN-Nanoplates in die PP-Matrix die Antioxidanz erheblich und hatte niedrigere CI-Werte für HP- und IP-Proben mit h-BN und abgezogenen h-BN (e-hBN) im Vergleich zu thermisch alternden Proben ohne h-BN. FTIR-Ergebnisse unterstützen weiter die Ergebnisse der OIT-Studie, die bestätigt, dass das Hinzufügen von h-BN-Nanofilen, sowohl nicht-peeling als auch peeling, die Antioxidanz der PP-Komposite verbessert. Im Vergleich zu thermisch alternden PP-Proben ohne h-BN war der CI-Wert der h-BN-verstärkten Probe niedriger, was auf eine verringerte Oxidationsgrad hindeutet. Dies deutet darauf hin, dass die Einbeziehung von h-BN-Nanofilen, insbesondere von abgeschiedenen Nanofilen, die Antioxidanz des Materials unter thermischen Alterungsbedingungen erhöht.

6. Schlussfolgerungen

Diese Studie hat erfolgreich bestätigt,Entferntes sechsseitiges Bornitrid (e-hBN)Als leistungsstarker Nanofüllstoff kann die Gesamteigenschaften von Polypropylen (PP) -Verbundstoffen erheblich verbessert werden. Die Schlussfolgerungen lauten wie folgt:

1. Vorbereitung und Dispersion sind entscheidend: AnwendungMikrostrahlhomogenitäte-hBN erfolgreich vorbereitet undAkustische Mischung und SchmelzextrusionKombiniertes Verfahren zur Realisierung von e-hBN im PP-SubstratGleichmäßig verteiltDies ist die Grundlage für eine Leistungssteigerung.

2. Verbesserte mechanische Eigenschaften (insbesondere bei HP): inPolymer PP (HP)Die Einbindung von e-hBNSynchronisierte Stärke und ZähigkeitUnd in der Impuls-Copolymerisierung PP (IP) ist die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften begrenzt aufgrund der komplexen Struktur des Organismus selbst.

3. Erhöhte thermische OxidationsstabilitätDie Zugabe von e-hBN verlängert das Material deutlichOxidationsinduzierungszeit (OIT)und wirksam reduziert die Hitze nach der AlterungIndikator des Gehäuses (CI)Dies zeigt, dass e-hBN als physikalische Barriere wirksam die Diffusion von Sauerstoff behindern und den oxidativen Abbau von PP verlangsamen kann.

4. Verbesserte Wärmeleitfähigkeit: e-hBN bildet einen effektiveren Wärmeleitweg im PP-Substrat, wodurch dieErhöhte Wärmeleitfähigkeit.

5. Das Verhalten des thermischen Abbaus ist nicht signifikant beeinflusstDie Einbindung von Füllstoffen ändert nicht die PP selbstTemperatur des thermischen AbbausDies zeigt, dass es sich hauptsächlich um die Verbesserung der Stabilität durch physikalische Wirkungen handelt und nicht um die Änderung des chemischen Abbausmechanismus des Polymers.

Gesamtlösung für die Mikrostrahlhomogeneisierung