碳納米管-尼龍6復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、采用酸化-酰氯化方法在多壁碳納米管表面接枝己二胺，用FT-IR、Raman、TEM和SEM等手段對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明，經(jīng)過酰氯活化，己二胺比較容易被接枝到碳納米管表面。在處理過程中，碳納米管的結(jié)構(gòu)與形態(tài)發(fā)生了很大變化，酸化使得碳納米管形成緊密結(jié)實(shí)的塊狀結(jié)構(gòu)，而接枝胺使碳納米管重新變得松散。對(duì)處理過程分析后認(rèn)為接枝上的己二胺鏈段插入到碳納米管之間，使得酸化處理中由于氫鍵作用而形成的緊密堆砌結(jié)構(gòu)被自發(fā)撐開，因此導(dǎo)致了碳納米管

2、形態(tài)的變化。 通過熔融共混法制備了碳納米管/尼龍6復(fù)合材料，用SEM、TEM和OM相結(jié)合的手段對(duì)不同方法處理的碳納米管在尼龍6中的分散狀況進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)胺功能化處理使碳納米管在尼龍6基體中分散比原始碳納米管均勻，而酸化碳納米管在尼龍6中以較大的塊狀結(jié)構(gòu)存在，分散最差。這說明松散的結(jié)構(gòu)和相容性好的表面有助于碳納米管的分散。另外從斷面形貌可以看出，胺化處理提高了碳納米管與尼龍6之間的界面粘結(jié)。 碳納米管的加入對(duì)尼龍6的結(jié)

3、晶行為產(chǎn)生了很大影響。首先采用DSC和XRD法對(duì)碳納米管/尼龍6復(fù)合材料等溫結(jié)晶和熔融行為進(jìn)行研究，用Avrami和Lauritzen-Hoffman方法對(duì)動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)碳納米管對(duì)尼龍6有著較強(qiáng)的異相成核作用，使得復(fù)合材料中尼龍6結(jié)晶速率加快；但是碳納米管的存在同時(shí)又阻礙了尼龍6分子鏈的自由運(yùn)動(dòng)，使得球晶尺寸變小，原始碳管的影響比胺化碳管更明顯。隨著碳管含量的增加，對(duì)尼龍6結(jié)晶的影響也越大。對(duì)等溫結(jié)晶樣品的熔融行為研究發(fā)現(xiàn)，所

4、有的樣品在較低的結(jié)晶溫度下呈熔融雙峰，而在較高的結(jié)晶溫度下出現(xiàn)了三個(gè)熔融峰，這主要是由于尼龍6不同尺寸和完善程度的結(jié)晶以及升溫過程中的再結(jié)晶和再熔融引起的。碳納米管對(duì)尼龍6的晶態(tài)結(jié)構(gòu)影響較小，但是使尼龍6晶片增厚。復(fù)合材料的表觀平衡熔點(diǎn)低于純尼龍6的平衡熔點(diǎn)。 采用DSC法對(duì)碳納米管/尼龍6復(fù)合材料非等溫結(jié)晶和熔融行為進(jìn)行研究，用Jeziorny、Ozawa和Mo模型對(duì)非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)進(jìn)行處理。結(jié)果表明Ozawa和Jeziorn

5、y方法在分析非等溫結(jié)晶過程時(shí)存在一定偏差，而Mo方法能夠比較好 地處理尼龍6及其復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。碳納米管的存在對(duì)成核機(jī)理和 結(jié)晶增長(zhǎng)產(chǎn)生了很大的影響。雖然碳納米管對(duì)尼龍6有異相成核的作用，但是同 時(shí)也阻礙了尼龍6分子鏈運(yùn)動(dòng)，使得復(fù)合材料的結(jié)晶速率低于純尼龍6，這與等 溫結(jié)晶的結(jié)果是相反的，說明非等溫結(jié)晶過程更為復(fù)雜。非等溫結(jié)晶樣品也出現(xiàn) 了熔融多峰，多峰的出現(xiàn)與冷卻速率有關(guān)。低溫峰對(duì)應(yīng)

6、著尼龍6的γ晶型，而高 溫峰對(duì)應(yīng)著尼龍6的α晶型。碳納米管的存在促進(jìn)尼龍6的α晶型生成，使得 復(fù)合材料在較高冷卻速率下也能形成以α晶型為主的結(jié)構(gòu)。 采用XRD、DSC及PLM相結(jié)合的方法研究了碳納米管對(duì)尼龍6晶態(tài)結(jié)構(gòu)的 影響。結(jié)果顯示尼龍6及其復(fù)合材料中都出現(xiàn)了多晶結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與碳 管含量和降溫速率有關(guān)。更多的碳管和緩慢的降溫速率有助于α晶型生成。由于 碳納米管平滑的管狀結(jié)構(gòu)與α晶

7、型的平面結(jié)構(gòu)比較接近，因而促進(jìn)了α晶核附 著生長(zhǎng)。尼龍6的結(jié)晶度隨降溫速率提高而降低，但是復(fù)合材料的結(jié)晶度隨降溫 速率的提高先降低后升高。碳納米管的異相成核作用和對(duì)尼龍6分子鏈運(yùn)動(dòng)的阻 礙導(dǎo)致了這種反常的變化。在不同的溫度退火后發(fā)現(xiàn)，碳納米管促進(jìn)尼龍6的 γ-α晶型轉(zhuǎn)變。在160℃退火后樣品中都出現(xiàn)退火峰，而且退火峰溫度為：胺化 碳管/尼龍6＞原始碳管/尼龍6＞純尼龍6，這與從熔融態(tài)直接結(jié)晶不一樣

8、，主要是 因?yàn)橥嘶饤l件下尼龍6分子鏈段運(yùn)動(dòng)受限造成的。接枝己二胺提高了碳納米管與 尼龍6之間的相容性，削弱了碳納米管對(duì)尼龍6結(jié)晶和熔融行為的影響。 力學(xué)性能研究表明，原始和酸化碳管使復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度降低較大，少量胺 化碳管可以使復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度提高，而且提高了復(fù)合材料的模量，但是復(fù)合材 料的斷裂伸長(zhǎng)率普遍降低。這種差別是因?yàn)榘坊脊茉谀猃?分散比較均勻，與 尼龍6的相互作用較強(qiáng)。由于碳納米

9、管對(duì)尼龍6結(jié)晶度和自由體積的影響，使得 復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)模量變化并不明顯。碳納米管的存在破壞了尼龍6分子間的氫鍵 作用，因此降低了復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，胺化處理提高了碳管和尼龍6之 間的作用力，減小了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的降低程度。碳管含量較低時(shí)，復(fù)合材料的 表觀黏度低于純尼龍6，碳管含量較高時(shí)得到了相反的結(jié)果。熱性能研究表明， 碳納米管提高了尼龍6在空氣中的熱穩(wěn)定性，但是對(duì)尼龍6在氮?dú)庵械臒岱€(wěn)定性