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)常作為增強體或輔助增強體來提升復(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。
　　碳纖維樹脂基復(fù)合材料具有低密度、高比模量及高力學(xué)強

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/碳纖維多尺度增強體，從而提升其樹脂基復(fù)合材料的界面性能。通過增加碳納米管在碳纖維表面的接枝強度、提高碳納米管的接枝密度、控制碳納米管的接枝方向，可以改善增強體與基體間的界面結(jié)合強度，增加復(fù)合材料的界面剪切力。
　　有機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)合材料會進一步加強其力學(xué)性能。同時，當碳納米管濃度達到或超過導(dǎo)電滲流閾值濃度時，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復(fù)合材料的性能產(chǎn)生很大的影響。本文針對這一影響，針對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，本文對化學(xué)法制備碳納米管/碳纖維多尺度增強體的實驗進行優(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/碳纖維多尺度增強體。此增強體具有高的碳納米管的接枝密度，是過去報道中利用化學(xué)法制備的碳納米管/碳纖維多尺度增強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?；瘜W(xué)接枝和高的接枝密度保證了該碳納米管/碳纖維多尺度增強體界面性能的提升。接枝后，碳納米管/碳纖維多尺度增強體的表面活性增

5、強，表面潤濕性提升。由于這些改進，該碳納米管/碳纖維多尺度增強樹脂基復(fù)合材料的界面剪切強度提升了120％。此外，為了便于工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用，本文對該方法的反應(yīng)機理、反應(yīng)條件及工藝參數(shù)進行研究，并得到了不同的反應(yīng)條件和試劑用量對于碳納米管接枝密度、增強體表面潤濕性和增強體界面剪切強度的影響。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力作用下定向移動的特性，一種新穎的制備碳納米管

6、/碳纖維多尺度增強體的方法被設(shè)計出來，即化學(xué)電泳法。借助電場力，碳納米管主動且定向地移動至碳纖維表面，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)，成功地實現(xiàn)化學(xué)接枝。電場力的引入增加了化學(xué)反應(yīng)的幾率，為提升增強體的表面潤濕性和界面剪切強度提供了保證。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)用于實驗中。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、海綿的孔道可以對碳納米管進行篩選，使得只有垂直于碳纖維表面運動的碳納米管才能穿過多孔海綿的孔道并接枝于碳纖維表面，實現(xiàn)了定向接枝。掃描電鏡的圖像顯示，該多尺度增強體的碳納米管接枝密度幾乎達到化學(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，同樣實現(xiàn)了強的接枝力。提升的碳納米管接枝密度，強的化學(xué)連接力和直立的接枝方向，使得該多尺度增強體的界面性能得到大幅度提升。通過測試該多尺度增強體的接

8、觸角和計算其表面能數(shù)據(jù)，證實該多尺度增強體表面潤濕性得到大幅度改善。通過對該多尺度增強體的樹脂基復(fù)合材料進行微脫粘試驗后的圖像和數(shù)據(jù)進行分析，證實其界面剪切強度提升了186%，遠遠高于以往報道。該研究創(chuàng)造性地將電泳法和化學(xué)法結(jié)合，取長補短，首次得到了同時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，該制備方法過程簡練、成本低廉，更易于應(yīng)用于實際生產(chǎn)和應(yīng)用中。

9、>　　最后，對上述化學(xué)電泳法實驗后的海綿進行了分析和研究。在電泳后，大部分的碳納米管在運動過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)生團聚。力學(xué)測試結(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，因此該碳納