碳納米管的結(jié)構(gòu)特性及界面強化對天然橡膠復(fù)合材料性能的影響研究.pdf

1、碳納米管以其獨特的結(jié)構(gòu)與優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)及熱學(xué)特性被認為是制備聚合物基復(fù)合材料的理想增強材料。隨著多種碳納米管規(guī)?；苽浼夹g(shù)的成熟，市售的商品化碳納米管具有多種不同的結(jié)構(gòu)特性。選擇適合于橡膠復(fù)合材料應(yīng)用的碳納米管，強化表面惰性的碳管與基體橡膠的界面結(jié)合，從而最大程度的發(fā)揮出碳納米管的增強作用與性能優(yōu)勢是本課題的研究目標。針對該目標開展的主要工作和結(jié)果如下:
　　 1.研究了多壁碳納米管的結(jié)構(gòu)特性（包括:純度、管徑、原始長度）對機

2、械混煉法制備的碳納米管/天然橡膠(CNT/NR)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn):純度較低的CNTs（純度為95wt％）對NR的增強效果顯著高于高純度石墨化的CNTs(純度為99.9wt％)，且隨著CNTs管直徑的減小，對天然橡膠NR的增強效果越好;CNT的原始長度對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響很小。
　　 2.應(yīng)用普通碳納米管(CNTs)和具有一維取向結(jié)構(gòu)的碳納米管束(CNTB)，通過機械混煉法制備CNT/NR納米復(fù)合材料。對其微觀

3、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能進行了對比研究。結(jié)果表明:CNTB較普通CNTs在NR基體中分散更均勻，且分散后的碳管較長，CNTB復(fù)合材料混煉膠具有更強的Payne效應(yīng);CNTs和CNTB均能顯著提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，而CNTB可更顯著的提高復(fù)合材料的定伸應(yīng)力;在填充量低于10phr時，NR/CNTB的熱導(dǎo)率高于NR/CNTs，但填充量超過10phr后，二者無明顯差異;NR/CNTB具有更高的動態(tài)滯后損耗和壓縮溫升。
　　

4、 3.利用低溫等離子體活化CNTB，進而引發(fā)丙烯酸聚合，成功的包覆在碳納米管表面接枝聚合上一層聚丙烯酸(PAA)，得到了PAA表面改性的碳納米管束(CNTB-PAA)。應(yīng)用高分辨透射電鏡(HRTEM)、X光電子能譜(XPS)、熱失重分析(TGA)和拉曼光譜(Raman)對CNTB-PAA進行了表征研究，證實了1～2nm厚的聚丙烯酸層PAA成功包覆在了CNTB的表面，且對CNTB自身結(jié)構(gòu)損傷很小。應(yīng)用紅外光譜證實了CNTB-PAA表面的羧

5、基可與硅烷偶聯(lián)劑Si69水解產(chǎn)生的Si-OH發(fā)生脫醇反應(yīng)。
　　 4.應(yīng)用機械共混法將CNTB-PAA通過硅烷偶聯(lián)劑Si69原位改性分散技術(shù)加入到天然橡膠中，制備納米復(fù)合材料(NR/CNTB-PAA/Si69)。通過TEM、SEM、RPA、低場強固態(tài)核磁對該復(fù)合材料與NR/CNTB的微觀結(jié)構(gòu)進行了對比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在NR/CNTB-PAA/Si69中CNTB分散更均勻，但Payne效應(yīng)（填料網(wǎng)絡(luò)）明顯削弱，CNTB與橡膠的界面

6、結(jié)合明顯強化。性能對比研究發(fā)現(xiàn):NR/CNTB-PAA/Si69較NR/CNTB在定伸強度顯著提高的同時，動態(tài)滯后損耗和壓縮溫升明顯下降。通過對比混煉膠和硫化膠低場強核磁共振松弛行為對比分析，提出了纏繞在碳納米管上的橡膠大分子鏈在化學(xué)交聯(lián)后，形成碳納米管-橡膠分子鏈“互穿網(wǎng)絡(luò)”的結(jié)構(gòu)模型，合理解釋了碳納米管/橡膠復(fù)合材料定伸應(yīng)力大幅度提高的原因。
　　 此外，簡單地考查了原位改性熱處理條件對碳納米管/天然橡膠復(fù)合材料性能的影響，