碳納米管改性多尺度復(fù)合材料化學(xué)-電泳法制備及性能研究.pdf

1、碳納米管由于其優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，在材料制備中得到了廣泛應(yīng)用。在復(fù)合材料的制備中，碳納米管經(jīng)常作為增強(qiáng)體或輔助增強(qiáng)體來(lái)提升復(fù)合材料的性能。例如，將碳納米管摻雜或接枝至碳纖維表面再制備成碳納米管／碳纖維多尺度復(fù)合材料，可以有效提升纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面性能和力學(xué)載荷，將碳納米管均勻分散于聚合物中制備成碳納米管／聚合物多尺度復(fù)合材料，可以改善聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性。
　　碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料具有低密度、高比模量及高力學(xué)強(qiáng)

2、度等一系列物理、化學(xué)特性，使其在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。將碳納米管接枝到碳纖維表面，制備出碳納米管/碳纖維多尺度增強(qiáng)體，從而提升其樹(shù)脂基復(fù)合材料的界面性能。通過(guò)增加碳納米管在碳纖維表面的接枝強(qiáng)度、提高碳納米管的接枝密度、控制碳納米管的接枝方向，可以改善增強(qiáng)體與基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度，增加復(fù)合材料的界面剪切力。
　　有機(jī)聚合物材料具有一系列優(yōu)異的性能，如輕質(zhì)，生產(chǎn)成本低等。將碳納米管摻雜在有機(jī)聚合物材料中制備成碳納米管/聚合物多

3、尺度復(fù)合材料會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)其力學(xué)性能。同時(shí)，當(dāng)碳納米管濃度達(dá)到或超過(guò)導(dǎo)電滲流閾值濃度時(shí)，碳納米管/聚合物多尺度復(fù)合材料將具備良好的導(dǎo)電性和電磁屏蔽能力。
　　在上述兩種復(fù)合材料中，碳納米管的濃度，碳納米管之間的連接方式以及制備方法都對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生很大的影響。本文針對(duì)這一影響，針對(duì)性地研究上述兩種復(fù)合材料的化學(xué)/電泳法制備及性能變化。
　　首先，本文對(duì)化學(xué)法制備碳納米管/碳纖維多尺度增強(qiáng)體的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。采用1,3-丙二胺

4、作為橋聯(lián)劑，DCC/DMAP為催化體系，通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)條件和試劑用量，制備出具有良好界面性能的碳納米管/碳纖維多尺度增強(qiáng)體。此增強(qiáng)體具有高的碳納米管的接枝密度，是過(guò)去報(bào)道中利用化學(xué)法制備的碳納米管/碳纖維多尺度增強(qiáng)體中碳納米管接枝密度的3倍。紅外光譜和X射線光電子能譜的數(shù)據(jù)顯示碳納米管和碳纖維之間的連接力為化學(xué)酰胺鍵。化學(xué)接枝和高的接枝密度保證了該碳納米管/碳纖維多尺度增強(qiáng)體界面性能的提升。接枝后，碳納米管/碳纖維多尺度增強(qiáng)體的表面活性增

5、強(qiáng)，表面潤(rùn)濕性提升。由于這些改進(jìn)，該碳納米管/碳纖維多尺度增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度提升了120％。此外，為了便于工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用，本文對(duì)該方法的反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)條件及工藝參數(shù)進(jìn)行研究，并得到了不同的反應(yīng)條件和試劑用量對(duì)于碳納米管接枝密度、增強(qiáng)體表面潤(rùn)濕性和增強(qiáng)體界面剪切強(qiáng)度的影響。這不僅為工業(yè)化生產(chǎn)提供了數(shù)據(jù)支持，也為下一步的研究提供了理論基礎(chǔ)。
　　其次，利用碳納米管可以在電場(chǎng)力作用下定向移動(dòng)的特性，一種新穎的制備碳納米管

6、/碳纖維多尺度增強(qiáng)體的方法被設(shè)計(jì)出來(lái)，即化學(xué)電泳法。借助電場(chǎng)力，碳納米管主動(dòng)且定向地移動(dòng)至碳纖維表面，在催化劑作用下與碳纖維表面的氨基發(fā)生酰胺縮合反應(yīng)，成功地實(shí)現(xiàn)化學(xué)接枝。電場(chǎng)力的引入增加了化學(xué)反應(yīng)的幾率，為提升增強(qiáng)體的表面潤(rùn)濕性和界面剪切強(qiáng)度提供了保證。為了增加接枝密度和控制接枝方向，多孔海綿被創(chuàng)造性地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中。一方面多孔海綿作為收集器可以將碳納米管控制于內(nèi)部孔道中，使得海綿內(nèi)部的碳納米管濃度增加，提升了接枝的幾率。另一方面，多孔

7、海綿的孔道可以對(duì)碳納米管進(jìn)行篩選，使得只有垂直于碳纖維表面運(yùn)動(dòng)的碳納米管才能穿過(guò)多孔海綿的孔道并接枝于碳纖維表面，實(shí)現(xiàn)了定向接枝。掃描電鏡的圖像顯示，該多尺度增強(qiáng)體的碳納米管接枝密度幾乎達(dá)到化學(xué)法接枝密度的2倍。紅外光譜和X射線光電子能譜的數(shù)據(jù)顯示碳納米管和碳纖維之間以化學(xué)酰胺鍵的方式連接，同樣實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)的接枝力。提升的碳納米管接枝密度，強(qiáng)的化學(xué)連接力和直立的接枝方向，使得該多尺度增強(qiáng)體的界面性能得到大幅度提升。通過(guò)測(cè)試該多尺度增強(qiáng)體的接

8、觸角和計(jì)算其表面能數(shù)據(jù)，證實(shí)該多尺度增強(qiáng)體表面潤(rùn)濕性得到大幅度改善。通過(guò)對(duì)該多尺度增強(qiáng)體的樹(shù)脂基復(fù)合材料進(jìn)行微脫粘試驗(yàn)后的圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，證實(shí)其界面剪切強(qiáng)度提升了186%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以往報(bào)道。該研究創(chuàng)造性地將電泳法和化學(xué)法結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，首次得到了同時(shí)提升和改善碳納米管接枝密度、接枝力和接枝方向的多尺度增強(qiáng)體，使其界面性能得到大幅度提升。此外，相比于現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)方法，該制備方法過(guò)程簡(jiǎn)練、成本低廉，更易于應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中。

9、>　　最后，對(duì)上述化學(xué)電泳法實(shí)驗(yàn)后的海綿進(jìn)行了分析和研究。在電泳后，大部分的碳納米管在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到海綿壁的阻擋而粘附于海綿的內(nèi)壁上，得到了碳納米管/聚合物復(fù)合材料(碳納米管海綿)。通過(guò)掃描電鏡的圖片可知，碳納米管均勻地涂覆于海綿的內(nèi)壁表面，并未發(fā)生團(tuán)聚。力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，該碳納米管海綿具有良好的彈性、延展性、彎曲性，在重復(fù)受力后能夠快速恢復(fù)至原始形貌。由于碳納米管在海綿內(nèi)壁表明均勻致密排列，使得碳納米管間的電子傳輸能力較強(qiáng)，因此該碳納