文摘

透气性和形态学特性的混合纳米复合材料制备的聚乳酸(PLA),聚(丁二琥珀酸)(PBS)和粘土进行了研究。在解放军的构成和PBS聚合物固定重量的80%和20%,分别粘土纳米复合材料,内容多样的从1到10 wt %。从形态学研究利用广角x射线衍射和透射电子显微镜,粘土纳米复合材料有1 wt %的被认为有一个混合形态间和分层结构,虽然一些集群或凝聚粒子检测纳米复合材料有3和超过3 wt %的粘土含量。然而,平均粒径分散PBS阶段显著减少从7μm - 40 nm的粘土混合。提高了氧气阻隔性明显比水蒸气。基于气体防护性能模型用于验证的氧气的相对渗透率PLA / PBS /粘土纳米复合材料。PLA / PBS /粘土纳米复合材料验证Bharadwaj模型3 wt %的粘土的内容,而对于高粘土纳米复合材料内容Bharadwaj模型是无效的,由于集群和团聚体形成。

1。介绍

聚合物/有机改性层状硅酸盐纳米复合材料吸引了太多的关注在过去的几十年里,因为他们展示了大量的显著增强特性包括障碍,热,机械、流变、易燃性的阻力,和其他物理性质相对于一个普通的硅酸盐或整洁的聚合物树脂。硅酸这些改进主要是实现在较低载荷(≤5 wt %),导致高纵横比和巨大的表面积。硅酸盐加载所需的浓度制备的纳米复合材料的一小部分通常需要与传统的复合材料。此外,这些纳米复合材料的改善是对等的或高于常规复合材料填充内容。直到现在,各种纳米复合材料已经开发和正在开发使用层状硅酸盐粘土矿物作为增强相由于其简单和丰富的可用性,低成本,而且,更重要的是,环境友好1]。

使用塑料的快速增长在我们的日常生活中已经成为一个重要的问题,由于产生的全球环境问题。一般来说,聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚(氯乙烯),等等是最生产,使用,然后丢弃在环境中。尤其是,他们的最终包装材料危险,undegradable废物。由于不可用满意的垃圾填埋场,生产大量的二氧化碳和有毒气体在焚烧,这又造成环境污染,和更昂贵的再生塑料的产品质量下降,有开车去专注于生物可降解高分子材料。记住这些原因,发展可降解材料具有优越的特性已成为一个具有挑战性和有趣的主题为研究人员、科学家和工程师今天在世界各地。预计,像其他聚合物纳米复合材料,可降解聚合物材料还将演示物理材料性能的改进。因此,这些生物可降解的纳米复合材料可能成为全球环境问题的可能的解决方案由塑料废物引起的。

不同的研究人员(2,3]研究了可生物降解聚合物来自可再生能源和石油资源;这些包括保利(L-lactide) (PLA)、聚(丁二琥珀酸)(PBS),聚(对苯二甲酸丁二己二酸),聚(对苯二甲酸乙二醇酯琥珀酸乙烯)和聚(ε己内酯)。中国人民解放军,从原料生产的玉米,而不是石油,最近被用于包装材料。食品包装材料应提供足够的障碍与水蒸气,防止食物降解,对大气气体,以防止食物的抗氧化物质,对挥发性有机化合物和保存食物的香气和味道(4]。在食品包装,质量传递从食物到聚合物反之亦然负责食物的污染也引起降解的包装材料。自中国人民解放军从丙交酯单体生产来自乳酸是一种无毒的物质已经发现人体中,食品污染时可以忽略中国人民解放军作为包装材料。因此,可以认为,渗透率的测定氧气,水蒸气,香气解放军用于食品包装材料中是一个重要的参数。

人民解放军是一个线性热塑性聚酯。它具有良好的机械性能,热可塑性,和良好的生物相容性,它可以很容易地捏造。然而,成本与丙交酯的开环聚合单体和脆性解放军解放军限制商业使用的聚合物。因此,解放军的混合与另一个生物可降解聚酯聚合物可能是必要的,这样合成混合会克服的局限性解放军实现优点的另一种聚合物,也减少了最终成本。

在这项研究中,所选择的聚合物混合与解放军PBS的最有前途的聚合物在合成生物可降解聚酯的家庭。PBS,化学合成的缩聚较大影响,与琥珀酸(5),具有较高的灵活性,良好的冲击强度,抗热和化学性能(6]。优秀的加工性PBS可能让解放军加工性能更好。在各种物理特性、气体渗透性能的纳米复合材料主要是集中,然后与他们的XRD和TEM形态属性。

2。建模的背景气体屏障

理论模型已经开发了预测复合材料的属性基于纯组件的属性和复合的形态。这种理论的总目标是预测复合材料的性能对于一个给定的组件(7]。这些理论使一个简单的路线,评估个人贡献的组件的属性,如矩阵类型、体积分数、长宽比、填料填充取向,填料分布。各种研究[8,9)表明,长宽比和粒子分布在聚合物基质预测聚合物纳米复合材料的性能的重要因素;合适的价值观帮助实现高增强纳米复合材料的性质。

增强polymer-silicate纳米复合材料的各种属性是众所周知的;他们的主要依赖是在聚合物硅酸盐层的分布矩阵。然而,背后的主要因素的改善气体性质尚未完全理解的障碍。作为粘土晶体材料,他们被认为增加屏障属性通过创建一个迷宫或“曲折的路径”,限制了气体分子的进展通过聚合物矩阵(10]。注意,“曲折”的想法已经引入了麦克斯和帕克(11)会计提供的阻抗流动不规则intercrystallite聚乙烯的段落。

尼尔森(10开发了扩散的理论通过填充聚合物体系。根据这一理论,如果填充物乱糟糟的扩散气体或液体分子,然后扩散分子必须绕着填料粒子。他利用曲折因子()被定义为实际距离的比值(),渗透必须前往(最短的距离),它会在层状硅酸盐的缺失。尼尔森说,薄,弹性板填料,拥有一个大纵横比()(填料粒子和的长度吗填料板的宽度),可以显著降低渗透率只有面向粒子以这样一种方式,他们的平面是平行于表面的电影。尼尔森还强调,不完整的填料分散,空洞,只有部分粒子的取向应该导致反向对渗透率的影响。的曲折因子()表示为 在哪里的体积分数表。

曲折的渗透率的影响可以表示为 在哪里和代表纳米复合材料的渗透率和整洁的聚合物,分别。

巴拉(12)调用一个简单的模型,由尼尔森开发早,关联表长度、浓度、相对取向,填料在聚合物的聚集态矩阵。这个模型给予进一步指导更好的屏障材料纳米复合材料的设计。巴拉(12从()预测,2),相对渗透率是硅酸盐板长度的函数。H的相对渗透率₂O在polyimide-montmorillonite纳米复合材料复制该浓度依赖根据(2)[13),呈现出递减的函数相对渗透率增加浓度和长度。超大length-to-thickness比硅酸盐表(30 ~ 2000 nm长,1 nm厚)显示,弯曲度显著增加。有趣的是要注意,没有注意到相对渗透率显著降低,无论粘土板长度、超越。这也与实验观察一致(13- - - - - -18]。

Bharadwaj修改了曲折因子包括定向排列顺序(),写作相对渗透率如下:

上面的表达式可以减少(2)当(平面布置,即。,maximum tortuosity) and provides approximately the permeability of the neat polymer when(正交排列)。此外,巴拉认为合并表用随机取向更有利于纳米屏障属性比情况下,表垂直于传播路径保持一致。

剥离似乎是关键因素决定的最大障碍应用聚合物纳米复合材料的性能。的渗透率明显降低O₂附近的气体通过剥落PLA-nanocomposite相对整洁的聚合物(PLA)显然是观察(8]。尼尔森(10)解释说,nm ~ 0.05相对渗透率0.2纳米,nm。而对于从0.1到0.3 nm,相对渗透率变化,分别7海里,从而强调需要完整的分层硅酸盐表。

梅瑟史密斯对比和Giannelis19)观察到显著减少通过复合薄膜在透水性的聚(ε-己内酯)/有机改性云母型硅酸盐含有极少量的硅酸盐。减少是由于不透水的分散,高纵横比硅酸盐层聚合物基质中。另一方面,静脉等。20.)相比,生物可降解塑料的屏障性质及其纳米复合材料与宠物食品包装应用。可生物降解材料显示更高的氧渗透率相比,宠物在21°C和40%相对湿度;然而,他们的纳米复合材料表现出略微低渗透率测试气体比整洁的聚合物。

尼尔森(都10和巴拉12)模型是基于参数与曲折因子有关。此外,方程与渗透率和曲折发展理解小分子的扩散在传统复合材料;然而,他们做的非常好有关的预测和实验结果对聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的相对磁导率。上述模型的主要假设是,面向表的,这样表正常与扩散的方向一致。显然,这样的安排导致弯曲度最高。任何偏离这个安排会导致恶化屏障属性。另外,片状形态尤其有效地最大化渗透的路径长度由于大型length-to-width比率相比,球体或多维数据集。

本研究的目的是为了更好地理解影响粘土浓度的气体屏障可生物降解的纳米复合材料的性质和形态的PLA / PBS / C30BX (Cloisite相关实验年级30 b)纳米复合材料有一个固定的解放军和PBS,构成80 wt % 2 wt %,分别与不同的粘土载荷。的各个方面选择的形态、氧气和水蒸气渗透性能的纳米复合材料的共混聚合物相比没有粘土。特别是,本研究主要的目的是为了获取一个广泛的理解生物可降解聚合物纳米复合材料的气体屏障属性使用Bharadwaj模型基于详细的形态学分析从TEM图像。通过氧相对渗透率实验的比较调查从巴拉模型计算相对渗透率。Bharadwaj模型预测进行了讨论的纳米复合材料的形态结构再分析从TEM图像报道21]。

3所示。实验

3.1。材料

可降解聚(乳酸)(4032 d级,自然作品,嘉吉陶氏LLC)和聚(丁二琥珀酸)(PBS)(年级G4460,愤怒化学。有限公司、韩国)为混合被用于这项研究。解放军和PBS的密度1.240克/厘米³和1.230克/厘米³,分别。解放军有结晶熔点范围150到170°C,而PBS熔化范围95到114.7°C。此外,实验成绩Cloisite 30 b (SCPX 3016年,南部粘土产品(SCP) Inc .)、美国)organoclay, C30BX索引,使用。实验成绩粘土提供更好的分散在可生物降解的聚合物,如解放军和PBS矩阵,而商业C30B使用。这粘土已基本相同的化学处理C30B却通过不同的机制来实现。C30BX,是由阳离子交换反应,自然MMT (Na⁺与bis - mmt)化学改性(2-hyroxyethy)甲基氢化牛脂烷基铵阳离子(C₁₈H₃₇)- n⁺(C₂H₄哦)₂CH₃)。

3.2。制备PLA / PBS /粘土纳米复合材料

通过挤出机在处理之前,解放军和PBS的小球第一次干在真空炉的温度50°C 48 h去除水分。干燥的这些聚合物是非常重要的在这些聚合物水分引起水解断链在高温时的处理。解放军/ PBS /粘土nancomposites都是由熔融复合使用Brabender双螺杆挤出机温度为180°C,螺杆速度40 rpm。所有的纳米复合材料通过两次通过挤出机实现更好的和所有成分的均匀混合。解放军的二元混合物的成分/ PBS一直固定在80/20 (wt % / wt %)纳米复合材料。各种粘土纳米复合材料载荷,1,3,5,7,和10 wt %,准备在这个研究调查。

所有组件被翻滚预拌在一个塑料袋,喂养同时进入挤出机维护整体的一致性。挤压纳米复合材料是球状的,再干50°C在真空炉/晚上。氧气和水蒸气传播率的测定,膜的样品大约0.3毫米厚度,通过压缩成型在200°C和压力40 kN 5分钟,然后样本使用冷却压力下(20 MPa) 2 - 3分钟。所有这些样本用于形态和气体防护性能评估。

3.3。分析解放军/ PBS /粘土纳米复合材料

研究纳米复合材料的形态,广角x射线衍射(WAXD)(飞利浦PW1847 x射线衍射仪)进行了几何和CuK的反映_α辐射(波长海里)在40 kV和30 mA散射角(2的范围内θ)从1到10°。调查内部结构和纳米复合材料的分散状态,超薄部分(不足100海里)切片机使用一个超级新星乐器与钻石刀。因此,超薄样本调查使用透射电子显微镜(TEM)(飞利浦CM200)在100 kv加速电压(22]。

对透气性的研究中,首先氧渗透率是检查MOCON Ox-Tran 2/21仪器(美国现代控制Inc .)根据ASTM标准D3985如前所述23]。氧气渗透的价值观得到23°C和0% RH, 50厘米的暴露面积和厚度²和0.3毫米。97% N的混合物₂有3%的H₂被用作载气和99.9%氧气是用作测试气体。聚酯(涤纶)膜的渗透性(MOCON制造商)是用于校准仪器,在聚酯薄膜的渗透率已经有所了解。这部电影样本被放置在两个测试(渗透率)细胞。安装样品后,气体的连续流是保持两岸的屏障材料。首先,氮气是通过表面去除样品中的任何氧气。氮一侧,取代它的是氧气,然后另一边氮流席卷表面提取任何氧气扩散通过材料。扩散的氧气由电量测量传感器只有氧气敏感的探测器。影片加载后的完成一个测试在测试细胞,需要12至16 h。每次测量前,样本保持在50°C的真空干燥箱一夜之间,至少有四个样本每部电影的分析。

水蒸气传输速率(WVTR)每个PLA / PBS / C30BX纳米复合材料样品的测量使用现代控制有限公司(MOCON) Permatran-W1(美国),根据ASTM标准F 1249在100%相对湿度(RH)和37.8°C的温度。WVTR的接触面积测量是50厘米²和厚度的薄膜样品是0.3毫米,如上所述。水蒸气通过塑料薄膜透射率测量使用调制红外传感器。水蒸气传播率可以评估的电影通过使用其他的解决方案,也就是说,氯化钠,醋酸钠,氯化镁给予不同的相对湿度(RH)。在这项研究中,纯水(100% RH)是用作样品没有吸收多少水。校准的仪器也使用聚酯(涤纶)电影5毫升的厚度由MOCON WVTR 4.55 g / m²天37.8°C和100% RH。测试片安装在扩散细胞最初暴露连续流动的空气在上面,在底部的一面暴露在水蒸气从湿垫(反渗透水)在潮湿的空腔。这叫做条件反射了一晚。示例所需的条件允许建立一个平衡传输速度。空气的流量在测试期间被设置为60厘米³/分钟。调节后,实际水汽传输(WVTR)指出,通常12到16小时后。平均五值正常化后报道这项工作单位根据样品的厚度值。

4所示。结果与讨论

特征峰的原始C30BX WAXD模式发生在衍射角4.96°。通过使用布喇格定律,d间距,也称为基底间距,计算为1.78 nm C30BX [23]。这是在关闭协议与商用C30B organoclay(即。1.75海里)。中国人民解放军的WAXD模式/ PBS / C30BX纳米复合材料从我们以前的工作(图1 (23])证明了纳米复合材料在1 wt %的C30BX没有任何衍射峰的范围内使用,可能由于粘土含量较低。3 wt % C30BX的纳米复合材料表现出广泛而极度疲弱反射大约在2°衍射角。此外,它还显示一个稍微明显峰值约6°衍射角。然而,它被称为峰值不够清楚。5、7和10 wt %的粘土纳米复合材料转移到峰值低角度为2.3°,2.2°,分别和2.2°。这表明,聚合物链被插入到C30BX层。5 wt %示例的峰值相对广泛。的特征峰相比整洁C30BX夹层间距1.78 nm,夹层d间距增加到3.84 nm, 4.01 nm, 4.01 nm纳米复合材料有5、7和10 wt %的C30BX浓度。转移高峰发生由于聚合物链到粘土夹层的画廊,而扩大的峰值在3和5 wt %的聚合物/粘土纳米复合材料夹层的层间距的分布。Krikorian和Pochan24)透露,峰值的扩大也会发生由于平行叠加或层的局部破坏原始organoclay的注册表,这意味着一些分层的粘土血小板的存在。因此,可以得出结论,分层和夹层的结构观察。另一方面,显然与7和10 wt %的粘土纳米复合材料主要演示了夹层的结构,在这些夹层水峰的强度逐渐增加的粘土,由于更多的x射线衍射的并行装配额外插入粘土(24]。有趣的是,注意到,3,5,7,和10 wt %粘土,主要衍射峰都伴随着另一个峰值的出现在2θ大约6°,在相同的位置和相同的基底间距为每个纳米复合材料。注意,一个额外的小峰在衍射角(2θ)低于10°为各种PLA / organoclay纳米复合材料已经报道[25]。基于这样的假设,二次峰值可能相关的解放军的XRD谱和PBS PLA / PBS / C30BX纳米复合材料中聚合物本身。

另一方面,纳米复合材料PLA / 7的WAXD概要,PBS / 7和PLA / PBS / 7图所示1。7 wt %的C30BX粘土纳米复合材料的解放军已经3.08 nm(2层间距离的增加θ= 2.86°),而PBS / C30BX (93/7 wt %)纳米复合材料有粘土层间的距离3.06 nm (2θ= 2.88°),这表明,PBS聚合物也倾向于C30BX层之间插入。更好的协会或解放军C30BX粘土和聚合物之间的相互作用可以得出结论,因为较大的层间距离的PLA / C30BX纳米复合材料比PBS / C30BX纳米复合材料。这是有趣的进一步,当解放军和PBS聚合物混合C30BX (PLA / PBS / C30BX: 80/20/7 wt %),夹层发生。另一方面,王et al。26]研究了粘土的影响在聚丙烯(PP) /聚苯乙烯(PS)混合,发现当有机土蒙脱土(OMMT)与PP、PS、混合层OMMT的距离大约是3.2 - -3.3海里。但是,当两个PP, PS和OMMT涨跌互现,进一步提高到3.79纳米层的距离。因此,得出的结论是,两个非混相聚合物之间的夹层的OMMT粘土层。Lim et al。27和陈等。28)也证实在OMMT非混相共混聚合物矩阵的夹层,是与这一研究获得的结果。它指出,陈等人。28还利用解放军和PBS,但正常C30B,他们没有学习障碍的属性。

它也可以从图中找到1PBS的除了中国人民解放军/ C30BX (C30BX-7 wt %)纳米复合材料体系改变了基底峰向低衍射角(2θ从2.86°)到2.2°PLA / PBS / C30BX (C30BX-7 wt %)。对纳米复合材料夹层的山峰(PLA / C30BX和PBS / C30BX纳米复合材料)得到几乎相同的衍射角但强度相当不同。PLA / C30BX纳米复合材料的特征峰高是小比PBS / C30BX纳米复合材料。低强度的峰值可以解释为分层的倾向C30BX PLA / C30BX混合物(29日]。C30BX是否有更好的亲和力与解放军或PBS聚合物可以使用的x射线数据由三元混合物。图1还显示,解放军和PBS纳米复合材料在相同的峰值衍射角;然而,峰值PBS / C30BX纳米复合材料是非常尖锐和高强度比解放军/ C30BX纳米复合材料。这表明解放军链向C30BX粘土有更好的亲和力。李等人。30.)也报告了类似的结果与生物可降解脂肪族聚酯混纺。

与此同时,我们之前报道的SEM图像wt %的PLA / PBS的80/20显示,混合非混相(21]。Bhatia et al。31日)注意到一个清晰的分散相PBS的PLA / PBS的成分混合在调查中国人民解放军之间的兼容性和PBS聚合物和得出结论,PBS内容高于80/20 (PLA / PBS)混合,即20%,可以看到非混相混合的传统形态。类似的非混相形态趋势报道解放军和聚(丁二琥珀酸己二酸)混合s和j·w·李(李32]。另一方面,TEM可以进一步确认的观察和结论由中国人民解放军的WAXD数据/ PBS / C30BX纳米复合材料如前所报道(21]。然而详细分析气体屏障属性使用Bharadwaj模型,我们需要重新分析TEM图像。图2显示了解放军的TEM图像/ PBS / C30BX与各种粘土纳米复合材料载荷与所选择的图像显示粘土富裕地区。尽管纳米复合材料在1和3的WAXD模式wt % C30BX显示无特色的衍射,这被解读为一个分层形态、TEM图像(数字2(一)和2(b)),分层/插入和多层结构的硅酸盐层可以很容易观察到1和粘土附加费率3%。更准确地说,1和3 wt %的C30BX表现出无序间堆放硅酸盐的结构。因此,纳米复合材料的1和3 wt % C30BX预计将实现更大的增强屏障属性。

大,清晰,絮凝的硅酸盐层类晶团聚体中可以看到粘土含量5 wt %(图2(c))和更高的纳米复合材料的内容我们以前观察到的21]。可以看出,随着粘土浓度的增加,类晶团聚体的厚度增加。然而,这些类晶团聚体自己获得某种程度的混乱,这可能是由于粘土浓度以及剪切力在熔融挤出过程中制备的纳米复合材料。TEM图像(图中未显示)清楚地表明,堆放和夹层的硅酸盐层被很好地分散在解放军和PBS矩阵通过WAXD分析也支持。之间的前一节证明了聚合物都插入C30BX的粘土层(参考图1)。

片状血小板(粘土颗粒)被认为增加气体屏障属性在纳米复合材料。防护性能改善由于曲折的路径是由粘土粒子的扩散阻碍气体分子通过矩阵。改善气体屏障背后的理论性能的聚合物层状纳米复合材料上面来解释。

所有的纳米复合材料薄膜显示氧气屏障属性比整洁解放军电影以及解放军/ PBS混合电影,如图3,这是以前观察到(23]。在所有的纳米复合材料,纳米复合材料有5 wt % C30BX内容表现出减少氧渗透率最高,大约26%。XRD和TEM(数字2(一)和2(b))结果表明,清新,和无序的混合物间形态学发生1和3 wt %的粘土纳米复合材料。然而,改善5 wt %的纳米复合材料是最大的。随着粘粒含量的增加,聚合物粘土颗粒的形成使更少的氧气阻隔性的改善。研究表明,曲折的程度也反映出几何形状和分层状态/夹层影响血小板及其取向聚合物矩阵(12,33- - - - - -37]。例如,射线等。34)发现在氧渗透率明显降低压缩成型聚乳酸纳米复合材料样品,在观察一些实验值与计算值之间的差异由于闰堆叠的共存和无序/剥落的粘土层。另一方面,compression-molded标本通常已知给传播率低于挤压标本,但吹电影通常表现出良好的改善障碍性能(35),可能由于硅酸盐血小板的双轴取向在吹膜过程中产生的聚合物基质会增加弯曲度足以提高屏障属性(36]。因此,整体提高防护性能并不高,因为在这项研究中使用的样本获取氧气渗透性是压缩成型。然而,有趣的是,尽管氧渗透率不高粘土会进一步降低内容(7和10 wt %)在中国人民解放军/ PBS / C30BX纳米复合材料,可以认为相比显著降低中国人民解放军/ PBS(80/20)混合由于不透水水晶粘土颗粒的存在限制了氧气的流逝。

相对温和改善的屏障属性压缩型纳米复合材料,Krook et al。35)两个原因解释的空隙度,这意味着non-diffusion运输通过提供电影和粘土颗粒的不均匀性。提高解放军的屏障性能/ PBS / C30BX纳米复合材料相比,解放军和PBS混合仅由压缩成型的粘土的存在可能是因为担任壁垒。

解放军/ PBS / C30BX纳米复合材料也表现出温和改善水隔汽层属性相对于PLA / PBS混合的电影。水蒸气传播率(WVTR)所有的样品如图4。尼尔森(10]和Gerlowski [37)建议水蒸气的运输的一般原则。他们说水穿透画廊蒙脱石层间,形成集群在纳米复合材料中,水,不让水迅速通过,因此水的扩散系数和整体运输在整个电影却降低了。

PLA / PBS / C30BX纳米复合材料的水蒸气渗透速率并不减少尽可能在氧气渗透速率的情况下由于亲水性聚合物的性质。PBS时加入中国人民解放军80/20比例的wt % (PLA / PBS),水汽传输速率增加。在水的运输通过中国人民解放军/ PBS电影,水首先通过电影的一面,一旦吸收达到饱和水平,水通过这部电影开始扩散到另一边和运输。水蒸气传播率下降最多,高达18%,当只有5 wt %二进制混合C30BX添加的。水蒸气降低传输速率应被视为相当温和,这也意味着C30BX充当不透水层的弯曲度的数量减少。

注意,聚合物结晶区域在解放军和PBS聚合物被认为是不透水等小分子气体,从而导致最后修改属性。有人建议,填料的存在(粘土)成核(38)结晶,结晶度增加。这可以直接传输特性的影响。急剧下降的渗透率增加结晶度通常是两种解释(39,40]。首先,包含不透水微晶减少数量的非晶态物质的渗透的扩散。其次,不透水粘土微晶增加运输路径的弯曲度。这个改善气体屏障属性可以归因于混合形态的成就建议通过XRD和TEM结果和空隙密度下降。气体屏障性能改善由于聚合物粘土的分布矩阵。另一方面,对于粘土对结晶的影响,这是我们之前研究的观察使用DSC,虽然1和3 wt %的粘土在PLA / PBS /粘土纳米复合材料可能不足以注意对结晶度的影响,结晶度最高5 wt %的粘土含量(23]。

正如前面所讨论的,根据尼尔森模型(10),纳米复合材料的磁导率整洁的渗透性聚合物有关吗的体积分数表长度(),宽度()表(粘土颗粒),在(3),当= 1。蒙脱石的基本结构单元的厚度大约是定义良好的,给出纳米;然而,长度和宽度显示出较大的分布,从100纳米到几个微米取决于填料在聚合物的浓度。纳米复合材料的有效宽度的表可以通过聚合粘土层的变化。从(2的体积分数),表和表的长度和表的宽度是必需的参数计算相对渗透率的纳米复合材料。

重要的是,两个主要原因使得板长度的估计相当复杂。首先,在纳米复合材料的显微照片图像,只有样粒子的预测。因此,真正的尺寸无法估计。其次,显微照片图像上的特征出现不直;因此,计算机辅助分析方法要求(41]。不幸的是,一个完全自动化的图像分析排除在外,因为粒子的能见度不良的形象。然而,半自动的图像分析被用来估计的表长度粘土颗粒,给图5。纳米复合材料的体积分数的计算的重量分数使用密度(1980公斤/米³C30BX)。

TEM图像的聚合物通常由不同深浅的灰色的颜色主要是通过样本显示电子密度的对比。区域的原子序数显得黑暗,而低原子序数的光出现。灰色聚合物区域之间的歧视和黑暗线对应于专业化硅酸盐血小板被眼睛相对容易。在我们的半自动的图像分析方法,转换的原始TEM显微照片变成黑白图像是必要的。

半自动的方法(7)包括,首先,手动跟踪平行光束的分散的血小板和团聚体显微照片上的透明薄膜覆盖图像打印使用黑色记号笔。孤立的血小板被视为单一的血小板。由此产生的透明薄膜电子扫描,然后转换成灰度图片上指定电影格式(TIFF图像文件)。显微图像及其扫描图像通过手动跟踪粒子图所示5。灰度图像可以被转换成一个黑色和白色或二进制图像通过图像分析软件(Scion图像4.02测试版,接穗公司,美国)。这个软件很容易将TIFF文件转换成一个二进制图像并创建一个图像的复制。从这个文件中,粒子的表长度计算获取直方图为各种使用Minitab软件15纳米复合材料。

图6直方图显示C30BX粒子长度和相关统计数据获得在所有中国人民解放军/ PBS / C30BX各种粘土纳米复合材料在载荷。这里,粘土浓度的影响很容易被视为表长度增加的C30BX粘土。因此,平均单长度随着标准差。弯曲度的计算值和相对渗透率的PLA / PBS / C30BX纳米复合材料使用(2)展示在表1。通过比较从实验和获得氧气的相对渗透率的模型中,可以看出,实验数据很好地验证Bharadwaj模型为C30BX低浓度的纳米复合材料。1 wt %的纳米复合材料的最短板长度和粘土附加费率表的增加长度增加。粘土含量在低浓度,粘土颗粒被分散的纳米复合材料相比较高含量的C30BX (XRD和TEM结果早些时候讨论)。因此,低浓度给长度短的粘土,而在较高的浓度,表长度开始增加。从TEM图像,它被认为,随着粘土浓度的增加更多的成堆的粘土颗粒形成。因此,粘土的有效厚度表(类晶团聚体)也增加了。而不是1海里,就10到14海里或者更多,这取决于黏土层间类晶团聚体的数量。然而,这里(平面布置的硅酸盐层路径的气体分子扩散)作为假设而做的计算使用Bharadwaj模型基于粘土作为气体屏障。现在由于粘土层的叠加,粘土颗粒变得有效宽度的宽度值6、10、14、21日大约33海里的粘土加载1,3,5,7,10 wt %。如果这些值用于Bharadwaj模型计算相对渗透率,然后曲线的相对渗透率实验和巴拉模型匹配如图7。

图7表明,实验数据验证了巴拉模型板长度大约80海里(1和3 wt %)。之后,在高表长度越来越大的偏离Bharadwaj模型观察。这背后的原因可能是,某些假设,像粘土颗粒均匀分散在聚合物基质中,和W~ 1海里被用于这个模型。由于聚集/ PLA / PBS纳米复合材料夹层,钢板的厚度没有保持为1纳米。在高浓度时,厚度变得有效厚度(有效宽度),这取决于表的堆栈的数量。硅酸盐负债表结块的趋势确实将成为更严重的粘土浓度增加。由于硅酸盐栈的厚度的变化,其长宽比()也改变了高增强气体屏障并没有提到。因此,高含量的C30BX粒子,巴拉模型不是由解放军的实验数据验证/ PBS / C30BX纳米复合材料。

如果实际值的宽度而不是1海里被用于(2),相对渗透率的PLA / PBS / C30BX纳米复合材料将验证Bharadwaj模型所有C30BX的浓度。

5。结论

PLA / PBS / Cloisite 30软粘土纳米复合材料包含1,3,5,7,和10 wt %的粘土是由熔融挤压方法,及其形态学检查使用XRD和TEM。改善氧渗透率明显注意到解放军/ PBS /与添加C30BX C30BX纳米复合材料;然而,水蒸气渗透速率显示适度改善这个系统。在这项研究中,压缩成型样本用于气体渗透率的决心。由于成堆的粘土和非均匀分散的粘土颗粒,气体分子的曲折路径没有增加足以使气体屏障性能显著改善。PLA / PBS / C30BX纳米复合材料验证Bharadwaj模型只有3 wt %的粘土含量。更高浓度的C30BX,偏离Bharadwaj模型观察到由于集群和团聚体的存在。

承认

作者要感谢黄先生太阳Jae他宝贵的援助与透射电子显微镜(TEM)。