聚合物-多壁碳納米管復合材料結構與性能的研究.pdf

1、自從碳納米管(CNTs)被發(fā)現(xiàn)以來，就引起人們極大的興趣。CNTs具有優(yōu)異的力學性能，優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，良好的電性能及微波吸收等特性，并具有獨特的一維納米結構所特有的納米效應，使其成為聚合物材料理想的增強體，并能賦予聚合物材料許多新的功能。然而CNTs的表面能較高，容易發(fā)生團聚，使它在聚合物基體中難以實現(xiàn)均勻細小分散。CNTs要作為增強材料必須要與聚合物基體緊密結合，這樣才能使應力有效地傳遞到CNTs上。如何均勻分散CNTs并

2、增強CNTs和聚合物基體之間的界面結合，是目前急需解決的研究課題。 首先，本文研究了多壁碳納米管(MWNTs)和導電炭黑(CB)對聚丙烯(PP)復合材料導電性能和逾滲閾值的影響，同時研究了MWNTs和CB用量對PP復合材料的力學性能和結晶性能的影響。研究結果表明PP復合材料的體積電阻率隨MWNTs或CB含量的變化均表現(xiàn)出明顯的逾滲現(xiàn)象，PP/CB復合材料的逾滲閾值較高，為9.5wt％左右，而PP/MWNTs復合材料的逾滲閾值在8

3、.0wt％左右。在PP基體中加入少量MWNTs或CB，可以使PP復合材料拉伸強度和缺口沖擊強度提高；但是隨著MWNTs或CB含量的繼續(xù)增大，PP復合材料拉伸強度和缺口沖擊強度顯著降低。MWNTs或CB的加入使PP材料的斷裂伸長率大幅下降。MWNTs或CB的加入明顯提高了PP復合材料的熱穩(wěn)定性。MWNTs或CB都能夠作為PP的成核劑，促進PP的結晶，使PP的結晶峰溫度、結晶總速率和成核速率提高，晶體尺寸分布變窄。當MWNTs含量為0.5w

4、t％時，MWNTs的成核作用顯著，而CB含量為2.0～3.0wt％時，CB粒子的成核作用才顯著。與CB相比，MWNTs具有更高的比表面積和更發(fā)達的樹枝狀結構，這使得MWNTs對PP復合材料性能影響優(yōu)于CB。然而碳納米管之間存在的較強的德華力以及MWNTs與PP基體之間較差的界面結合使MWNTs在PP基體中的難以均勻分散，這些都限制了MWNTs對PP復合材料性能的提高。 其次，為了解決MWNTs在PP基體中的分散不均勻的問題，本文

5、使用了一種硅烷偶聯(lián)劑表面處理MWNTs的方法。先通過溶膠-凝膠法在MWNTs表面包覆一層氧化硅，然后再用硅烷偶聯(lián)劑對包覆MWNTs進行表面處理后制備PP/MWNTs復合材料。甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)表面處理碳納米管能夠有效提高MWNTs在。PP基體中的分散，增加MWNTs與PP基體之間的界面結合。相同MWNTs含量下。經(jīng)過表面處理的PP復合材料的拉伸強度高于未經(jīng)過表面處理的PP復合材料。同時研究了三種不同的硅烷偶聯(lián)

6、劑表面處理對PP/MWNTs復合材料力學性能的影響。KH-570表面處理對PP復合材料力學性能改善效果優(yōu)于其他兩種硅烷偶聯(lián)劑，這主要是由于不同硅烷偶聯(lián)劑有機基團鏈與PP基體之間的界面結合不同。 通過示差掃描量熱(DSC)分析方法研究了經(jīng)過表面處理和未經(jīng)過表面處理的PP/MWNTs復合材料的非等溫結晶行為，并利用Avrami方程和Hoffman結晶理論描述了復合材料中PP的等溫結晶動力學。研究結果表明，經(jīng)過表面硅烷偶聯(lián)劑處理后，M

7、WNTs在PP基體中的異相成核效應顯著提高，促進PP的結晶，使PP的結晶速率增大，折疊鏈表面自由能σe降低。 最后，本文研究了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/MWNTs復合材料。在研究過程中，使用了原位乳液聚合法來制備PMMA接枝MWNTs。在高剪切條件下，以2，2’-偶氮二異丁腈(AIBN)為引發(fā)劑用乳液聚合法制備了PMMA接枝的MWNTs(g-MWNTs)，然后與PMMA熔融共混得到了PMMA/MWNTs復合材料。PMMA復合

8、材料的流變結果表明，PMMA/純MWNTs復合材料的流變逾滲閾值約為2.5wt％，而PMMA/g-MWNTs復合材料的逾滲閾值約為1.5wt％。這種差異是由于MWNTs表面接枝了PMMA分子鏈后，即使單根碳管與單根碳管之間的距離大于PMMA分子鏈段的旋轉半徑，也可以通過接枝在MWNTs表面的PMMA分子鏈與基體中的PMMA分子鏈產(chǎn)生纏結，從而形成一個連續(xù)的MWNTs-PMMA分子鏈。因此，僅需相對較少量的g-MWNTs就可以在PMMA基

9、體中形成連續(xù)的MWNTs-PMMA分子鏈網(wǎng)絡。 本論文的主要創(chuàng)新之處： (1)研究了一種先通過溶膠-凝膠法在MWNTs表面包覆一層氧化硅，然后再用硅烷偶聯(lián)劑對MWNTs進行表面處理的方法。與其它報道過的用硅烷偶聯(lián)劑處理MWNTs表面的方法，這種方法不需要先通過化學氧化處理在碳納米管表面引入羥基，從而沒有破壞MWNTs的結構。 (2)研究了不同含量PP/MWNTs和PP/硅烷偶聯(lián)劑處理MWNTs復合材料的等溫和非等

10、溫結晶行為。研究PP結晶過程的各種參數(shù)及了解其影響條件，探討了MWNTs表面硅烷偶聯(lián)劑處理對PP結晶的影響，為選擇合適配方和優(yōu)化加工成型條件等提供一定的實驗依據(jù)。 (3)研究了一種在高剪切條件下，用乳液自由基聚合法制備PMMA接枝MWNTs的方法。在以往聚合過程中超聲波技術常常被應用來幫助碳納米管均勻分散在乳液中，而這種方法用高剪切取代超聲波分散碳納米管，為制備聚合物包覆或聚合物接枝MWNTs提供了一種新的方法。 (4)