Étude des propriétés des composites de polypropylène renforcés par des nanofeuilles de nitrure de bore hexagonales dénudées

I. Introduction

Cet article est affilié au sujet de l'application de l'homogénéisateur à micro - jet, le texte complet est de 11 500 mots et la lecture prend environ 40 minutes.

Résumé

Cette étude a préparé des nanofeuilles de nitrure de bore hexagonal de type Pelé (E - hbn) par la méthode d'homogénéisation par microjet et les a complexées avec du polypropylène (PP) en utilisant la technique d'extrusion par fusion. Les résultats montrent que la dispersion homogène de l'e - hbn dans la matrice PP est la clé, ce qui améliore considérablement plusieurs propriétés du matériau composite: en PP homopolymérisé (HP), l'e - hbn améliore simultanément la résistance à la traction et la ténacité du matériau. Pour le PP copolymérisé résistant aux chocs (IP), l'amélioration des propriétés mécaniques est limitée, mais la stabilité à l'oxydation de tous les composites est fortement améliorée par l'action barrière de l'e - hbn et l'indice de carbonyle après vieillissement thermique est nettement réduit. De plus, l'ajout d'e - hbn améliore également la conductivité thermique du matériau composite. En résumé, l'e - hbn est une nanocharge multifonctionnelle qui confère efficacement des propriétés globales plus optimales aux composites pp.

Mots clés

Décapage du Nitrure de bore hexagonal; Homogénéisateur à microjet; Matériaux composites en polypropylène; Conductivité thermique; Propriétés mécaniques; Stabilité à l'oxydation

II. Cadre général

Explication des termes

Iii. Introduction

Cette étude vise à répondre aux limitations telles que la faible conductivité thermique, la mauvaise résistance à l'oxydation et la résistance mécanique insuffisante inhérentes aux matériaux en polypropylène par l'introduction de l'e - hbn. Par rapport aux charges traditionnelles, le H - BN, bien qu'il présente une combinaison unique de conductivité thermique élevée et d'isolation, présente une mauvaise dispersion dans la matrice polymère comme un défi majeur. L'innovation de cette étude est l'étude systématique de l'impact du processus de décapage sur l'effet de dispersion du H - BN dans la matrice PP et l'évaluation de l'effet de ce e - hbn sur les propriétés thermiques, mécaniques et à long terme des composites, comblant ainsi les lacunes de la recherche dans ce domaine.

Iv. Processus de base

Le lien	Étapes de base	Détails clés et paramètres
Préparation des matériaux	matières premières	-h-BN: Denka Japon -Polymères: PP fourni par lyondellbasell (HPAvecIP) et -Solvants et dispersantsNMP et P4VP
H - BN décapage	Peeling en phase liquide	1. Pré - dispersion: H - BN mélangé avec p4vp en NMP, cisaillement haute vitesse (5000 tr / min, 1 h). 2. Homogénéisation par microjet: en utilisant un homogénéisateur à microjet, en190 MPaCycle inférieur5Une fois. 3. Post - traitement: centrifugation, lavage, lyophilisation obtenue-HBNLa poudre.
Préparation de matériaux composites	Mélange fondu	1. Prémélange: utilisationMélangeur à résonance acoustiqueMélanger la charge avec les particules de pp. 2. Extrusion en fusion: utilisationExtrudeuse à double visEffectuer un mélange fondu. 3. Moulage par pressage à chaud: utilisationMachine à comprimésPressé à chaud dans une feuille de test standard.
Caractérisation et tests	Évaluation de la performance	-Structure et topographie: XRD, SEM, XRM 3D -Propriétés thermiques: TGA, DSC (OIT), Conductivité thermique -Propriétés mécaniques: test de traction -Stabilité à l'oxydation: FTIR (indice de carbonyle ci)

V. Résultats et discussion

Caractérisation des composites PP renforcés H - BN

L'étude a utilisé une approche systématique pour préparer un composite de polypropylène renforcé H - bn. Le H - BN a d'abord été décapé en phase liquide par la technique d'homogénéisation par microjet, et les caractérisations Sem et XRD ont conjointement confirmé la réussite de l'obtention de nanofeuilles de H - BN de type décapé avec un espacement de couche accru et une épaisseur réduite. Pour obtenir une dispersion idéale de la charge dans la matrice, on a étudié l'utilisation d'un mélangeur acoustique résonnant pour pré - enrober des nanofeuilles d'e - hbn sur la surface des particules de PP avant de terminer la recombinaison par extrusion en fusion. Cette stratégie de préparation pose les bases de l'obtention de matériaux composites aux performances exceptionnelles en optimisant le processus de dispersion.

Assurer un peeling efficace et une dispersion uniforme des nanofeuilles de H - BN avec un processus de peeling en phase liquide utilisant un homogénéisateur à microjet. Cette méthode repose sur l'application d'une force de cisaillement intense et d'une pression élevée qui surmonte efficacement les fortes forces de Van der Waals entre les couches de H - BN en masse. La suspension de H - BN est forcée à travers des interstices étroits à grande vitesse, créant les turbulences et les contraintes de cisaillement nécessaires pour séparer les couches épaisses en nanofeuilles minces. Les nanomorceaux écaillés obtenus montrent une suspension blanche stable, confirmant visuellement le succès de l'écaillage.

Le processus d'écaillage a été encore vérifié à l'aide d'un microscope électronique à balayage (MEB), comme le montre la figure 2B. Les images montrent que le Bloc H - BN est constitué de couches épaisses empilées, tandis que les nanofeuilles H - BN dénudées présentent une épaisseur considérablement réduite et des dimensions latérales accrues. Cette transition morphologique améliore la surface des nanofeuilles de H - BN, favorise une meilleure interaction interfaciale avec la matrice PP et contribue à améliorer les propriétés du matériau composite. L'analyse par diffraction des rayons X (DRX) fournit des preuves supplémentaires d'une exfoliation réussie (figure 2c). Le Profil XRD de H - BN massif présente des pics de diffraction caractéristiques à des valeurs 2θ de 26,8, 41,7, 43,9, 50,2 et 55,2°, correspondent respectivement aux plans (002), (100), (101), (102) et (004) de la phase hexagonale H - BN, une diminution significative de L'intensité du Pic (002) étant observée, accompagnée d'un élargissement du pic. Ces variations indiquent un affaiblissement de l'empilement de couches selon l'axe c, confirmant la séparation des couches H - bn. De plus, le pic (002) a été décalé de 26,3° avec un espacement (d002) de 0,35 nm, ce qui indique une augmentation de la séparation entre les couches, validant la production réussie de nanofeuilles H - BN dénudées.

La préparation d'un matériau composite en polypropylène (PP) renforcé par des nanofeuilles de H - BN (E - hbn) dénudées implique deux étapes critiques, illustrées sur la figure 3. Dans une première étape, les nanofeuilles d'e - hbn sont enduites uniformément sur les particules de PP à l'aide d'un mélangeur acoustique à résonance (Figure 3A). Les ondes acoustiques à haute fréquence générées par le mélangeur acoustique génèrent des vibrations rapides qui permettent aux nanofeuilles d'e - hbn de se disperser uniformément et d'adhérer efficacement à la surface des particules de pp. Cette étape est essentielle car elle permet d'assurer une distribution uniforme des nanofeuilles à l'intérieur de la matrice polymère lors du traitement ultérieur, améliorant ainsi l'uniformité globale et les performances du matériau composite. Dans une deuxième étape, les particules de PP revêtues de H - BN sont soumises à un procédé d'extrusion en fusion (figure 3b). Dans ce processus, le mélange est chauffé pour faire fondre le PP, ce qui facilite le mélange des nanofeuilles avec la matrice polymère. Cette méthode assure non seulement une incorporation homogène de l'e - hbn, mais favorise également une liaison interfaciale solide entre la charge et le polymère.

H - BN renforce les propriétés mécaniques des composites PP

Par rapport au copolymère résistant aux chocs PP (IP), le HP pur présente une excellente résistance à la traction (30,42 ± 1,5 MPa) grâce à sa cristallinité supérieure. Cependant, HP présente un allongement et une ténacité inférieurs, soulignant sa rigidité, mais une ductilité réduite. L'ajout de H - BN empilé (hbn - HP) entraîne une diminution de la résistance à la traction et de la ténacité, qui sont principalementLes particules H - BN agissent comme des concentrateurs de contraintes et entravent la transmission des contraintes en raison de l'agglomération des particules H - BN- Oui.

Inversement, l'incorporation de H - BN écaillé (E - hbn - HP) améliore significativement la résistance à la traction (32,88 ± 0,45 MPa, soit une amélioration de 14,3%); P = 0,03) et ténacité (1 MPa ± 11,73, amélioration de 11,6%; p = 0.07）。 CesAmélioration attribuée à la dispersion homogène des nanofeuilles d'e - hbn dans la matrice polymère, permettant un transfert de contrainte efficace, comme confirmé par l'imagerie xrm (figure S1)

En revanche, les échantillons IP ont montré un allongement et une ténacité plus élevés par rapport à HP en raison des domaines éthyléniques caoutchouteux dans la matrice. Cependant, l'incorporation de l'empilement H - BN (hbn - IP) diminue significativement l'allongement et la ténacité, probablement en raison de la mauvaise dispersion de la charge et de la faible interaction interphase charge - matrice. L'incorporation de H - BN écaillé (E - hbn - IP) entraîne également une diminution de l'allongement et de la ténacité de l'échantillon IP, bien que cette diminution soit moins prononcée par rapport au H - BN empilé. Ces observations suggèrent que l'amélioration limitée des propriétés mécaniques des composites e - hbn - IP résulte de la mauvaise interaction interfaciale entre la matrice IP et les nanofeuilles H - BN, ainsi que de l'hétérogénéité inhérente de la matrice IP. Cette tendance est conforme aux résultats rapportés par Chan et al., qui ont observé des changements négligeables dans les propriétés mécaniques après l'ajout de 10%, 15% et 20% de H - bn.

Il est ainsi possible d'améliorer considérablement les propriétés mécaniques des composites PP en incorporant des nanofeuilles H - BN dénudées, notamment en PP homopolymérisé. L'amélioration observée de la résistance à la traction et de la ténacité est attribuée à la dispersion uniforme et à la transmission efficace des contraintes obtenues par le H - BN écaillé. L'optimisation des techniques de dispersion et des interactions charge - matrice renforcées permet d'améliorer encore les propriétés mécaniques de ces composites, en particulier dans les matrices de structure plus complexe, comme le copolymère choc pp. les propriétés mécaniques des composites développés dans cette étude ont été comparées à celles rapportées dans la littérature sur les composites PP renforcés H - BN (tableau 3). La résistance à la traction et la ténacité obtenues par les composites HP renforcés e - hbn (E - hbn - HP) sont compétitives, démontrant l’efficacité du Peel H - BN dans l’amélioration des performances des composites.

H - BN renforce les propriétés thermiques des composites de polypropylène

La stabilité thermique des composites de polypropylène (PP) renforcé au H - BN a été étudiée à l'aide d'une analyse thermogravimétrique (TGA) et d'une analyse thermogravimétrique dérivée (dtga). La figure 5a montre les courbes TGA du H - BN et du H - BN déchu (E - hbn), montrant que le H - BN lui - même présente une excellente stabilité thermique avec une perte de poids inférieure à 1%.

Les échantillons d'e - hbn ont montré une perte de poids plus faible, attribuée au Poly (4 - vinylpyridine) (p4vp) résiduel utilisé comme dispersant lors de la préparation de l'e - hbn. Cependant, malgré la stabilité thermique plus élevée du H - BN, la décomposition thermique du PP après addition du H - BN n'est pas sensiblement améliorée, comme le montre la figure 5b, C. La température de décomposition des échantillons de HP pur, H - BN - HP et e - hbn - HP était d'environ 450 °C et le taux de dégradation était similaire. Une tendance similaire a été observée dans les échantillons h - BN - IP, de sorte que la figure s2 fournit des données TGA et dtga pour ces échantillons. Cela montre que l'ajout de H - BN ne modifie pas significativement le comportement de décomposition thermique de la matrice PP, bien que la présence de H - BN contribue à maintenir l'intégrité structurelle du matériau composite à des températures plus élevées.

La cristallinité et les caractéristiques de fusion des composites PP ont été analysées par mesure DSC. La formule de calcul du pourcentage de cristallinité est:Parmi lesquelsEst la chaleur de fusion de l'échantillon PP,Est la chaleur de fusion du PP cristallin pur (207 J / g). Les pourcentages de cristallinité sont respectivement de 35,3% pour HP pur et de 31,5% pour IP, et les pics de fusion sont observés à 163°c pour les deux échantillons (figure 6a). La différence de cristallinité entre HP et IP est liée à ses propriétés mécaniques, où HP a une cristallinité plus élevée et présente une résistance plus élevée, tandis que la cristallinité inférieure de IP contribue à renforcer sa ductilité. Malgré l'ajout de H - BN dans le Composite PP, les propriétés thermiques du PP ne sont pas significativement améliorées, ce qui indique que le renforcement en H - BN n'a pas d'effet significatif sur la cristallinité ou les caractéristiques de fusion de la matrice polymère, comme le montre le tableau 3.

Le temps d'induction de l'oxygène (OIT) est mesuré pour évaluer la stabilité thermique à l'oxydation du composite PP (figure s3).

Les valeurs OIT sont déterminées à 180 °C, car les valeurs OIT de 200 et 220 °C ne sont pas réalisables car les valeurs sont inférieures à 1 min. Pour HP pur et IP, les valeurs OIT sont respectivement de 4,6 et 11 minutes (Figure 6B). L'ajout de H - BN augmente l'OIT de H - BN - HP à 9,67 minutes et l'OIT de H - BN - IP à 26 minutes (figure 6c). On observe que le H - BN excrété est encore renforcé, conduisant à des valeurs OIT de 13 minutes pour l'e - hbn - HP et de 34 minutes pour l'e - hbn - IP (figure 6d). Ces résultats montrent que l'addition de nitrure de bore Hexagonal (H - BN), notamment sous sa forme strippée (E - hbn), améliore significativement la stabilité à l'oxydation et les propriétés thermiques des composites polypropylène (PP).L'augmentation du temps d'induction de l'oxydation (OIT) observée dans les échantillons de PP renforcés par H - BN et e - hbn suggère que H - BN est une barrière efficace à la diffusion de l'oxygène, retardant ainsi le début de l'oxydation. Cette protection est encore renforcée par une meilleure dispersion de l'e - hbn dans la matrice PP, comme en témoignent les valeurs OIT plus élevées des échantillons e - hbn - HP et e - hbn - IP par rapport aux échantillons non écaillés.Cette amélioration de la stabilité à l'oxydation est due en partie à la conductivité thermique élevée du H - BN, qui améliore les propriétés de dissipation thermique du composite. Outre les mesures OIT, les mesures de conductivité thermique peuvent également fournir des informations importantes sur les propriétés thermiques des matériaux composites. L'ajout de H - BN thermiquement conducteur améliore la conductivité thermique de la matrice PP, contribuant à une meilleure dissipation thermique. Les composites renforcés en e - hbn présentent une conductivité thermique plus élevée (Figure 7), probablement en raison de la dispersion de l'e - hbn dans la matrice PP, améliorant les propriétés de dissipation thermique du composite.

La résistance à l'oxydation des composites a été évaluée par une étude de vieillissement thermique dans laquelle les échantillons HP et IP ont été placés à 120°c pendant 250 et 500 h pour simuler une exposition à la chaleur à long terme. Pour suivre la formation des produits d'oxydation, en particulier des groupes carbonyle (- C = o), on utilise la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR).

Le spectre FTIR (figure 8A) montre les carbonyles à 1700 - 1780Pic d'absorption caractéristique de la zone, ce qui indique une oxydation du polymère. L'indice de carbonyle (IC) est un indicateur valable pour évaluer le degré d'oxydation d'un échantillon de polymère, calculé comme le pic de carbonyle (1700 - 1780).Intensité par rapport au pic de référence (2730)) Le rapport des intensités. Comme prévu, le vieillissement thermique des échantillons HP et IP purs a entraîné une augmentation significative de l'intensité du pic de carbonyle, et l'indice de carbonyle (IC) a montré une nette augmentation. Pour les échantillons HP, l'IC est passé de 0,12 (pur) à 1,14 après 250 H et à 1,17 après 500 H de vieillissement, ce qui indique une oxydation importante. De même, pour les échantillons IP, les valeurs de ci ont augmenté de 0,18 (pur) à 1,0 après 250 H et de 1,25 à 1,25 après 500 H, ce qui indique une oxydation importante au fil du temps. Cependant, l'ajout de nanofeuilles de H - BN à la matrice de PP améliore considérablement la résistance à l'oxydation, avec des valeurs d'IC plus faibles pour les échantillons de HP et d'IP renforcés par H - BN et H - BN (E - hbn) dénudés par rapport aux échantillons vieillis à chaud sans H - BN. Les résultats FTIR confirment les résultats de l'étude OIT, confirmant que l'ajout de nanofeuilles de H - BN, non pelées ou pelées, renforce la résistance à l'oxydation des composites pp. Les valeurs d'IC des échantillons renforcés par H - BN étaient faibles par rapport aux échantillons de PP vieillis thermiquement sans H - BN, ce qui indique une réduction du degré d'oxydation. Ceci montre que l'incorporation de nanofeuilles de H - BN, en particulier de nanofeuilles écaillées, améliore la résistance à l'oxydation du matériau dans des conditions de vieillissement thermique.

Vi. Conclusion

Le succès de cette étude confirme,Nitrure de bore hexagonal épluché (E - hbn)En tant que nanofiller haute performance, il peut améliorer considérablement les propriétés globales des composites de polypropylène (PP). Ses principales conclusions sont les suivantes:

1. La préparation et la dispersion sont essentielles: adoptéMéthode d'homogénéisation par microjetL'e - hbn a été préparé avec succès etMélange acoustique et extrusion en fusionProcédé combiné qui permet d'obtenir l'e - hbn dans une matrice PPDispersion uniformeC’est la base de l’amélioration des performances.

2. Amélioration significative des propriétés mécaniques (en particulier chez HP): dansPP homopolymère (HP)L'ajout de l'e - hbn est réaliséAugmentation synchrone de la force et de la ténacitéTandis que dans le PP copolymérisé résistant aux chocs (IP), l'amélioration des propriétés mécaniques est limitée en raison de la structure complexe de la matrice elle - même.

3. Stabilité à l'oxydation thermique considérablement améliorée: l'ajout d'e - hbn prolonge considérablement le matériauTemps d'induction d'oxydation (OIT)Et réduit efficacement le vieillissement thermique aprèsIndice de carbonyle (ci)Cela suggère que l'e - hbn peut agir comme une barrière physique, bloquant efficacement la diffusion de l'oxygène et retardant la dégradation oxydative du pp.

4. Conductivité thermique améliorée: l'e - hbn forme une voie de conduction thermique plus efficace dans la matrice PP, ce qui rend le matériau compositeLa conductivité thermique est augmentée- Oui.

5. Le comportement de décomposition thermique n'est pas significativement affecté: l'ajout de la charge ne modifie pas le PP lui - mêmeTempérature de décomposition thermique, indique qu'il améliore principalement la stabilité par action physique plutôt que de modifier le mécanisme de dégradation chimique du polymère.

Solution complète pour le traitement homogène par microjet