聚乳酸-碳納米管復合材料的結(jié)構(gòu)與性能.pdf

1、本文首先采用熔融共混的方法制備了PLA/CNT復合材料，然后通過形貌表征、結(jié)構(gòu)流變學以及熱、力學性能分析等方法研究了復合材料的微觀和介觀結(jié)構(gòu)、粘彈響應、結(jié)晶行為、力學強度、導電性和降解行為。重點考察了CNT的納米分散形態(tài)、介觀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以及與基體間的界面粘結(jié)對復合材料宏觀性能的影響，并利用線性粘彈理論、非線性逾滲理論、力學模型以及結(jié)晶的動力學模型等描述了聚乳酸/碳納米管復合材料的多層次結(jié)構(gòu)與其宏觀性能間的關(guān)系。 (1) CNT的

2、加入強烈影響復合材料的線性和非線性粘彈行為。隨CNT含量增加，體系低頻區(qū)的動態(tài)模量逐漸增強，并表現(xiàn)出明顯的類固態(tài)響應，這是由于CNT在動態(tài)剪切流動中形成了瞬態(tài)的逾滲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)所致；而在非線性的穩(wěn)態(tài)剪切流動中，CNT的逾滲網(wǎng)絡具有強烈的剪切敏感性，即使非常小的剪切速率也足以破壞網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，導致體系模量急劇下降；不過逾滲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)在靜態(tài)退火過程中可以重建，從而使得復合體系表現(xiàn)出明顯的瞬態(tài)應力過沖行為。因此，結(jié)構(gòu)流變學是表征復合體系內(nèi)部CNT的近程

3、結(jié)構(gòu)(納米分散形態(tài))和遠程結(jié)構(gòu)(介觀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu))的有力工具； (2)當采用表面修飾不同的CNT和長徑比不同的CNT改性PLA時，復合材料結(jié)構(gòu)流變學的結(jié)果表明，羧基化的CNT的在PLA基體中的逾滲閥值遠小于羥基化的CNT，說明兩種CNT的實際填充效果截然不同。在相同的含量下，前者在PLA基體中的有效體積分數(shù)比后者高了3倍，致使兩個復合體系的動態(tài)流變響應間差異巨大。歸根到底，這是由于PLA分子鏈與羧基化的CNT親和性更好所造成的；而

4、CNT的長徑比也同樣強烈影響復合體系的流變響應。盡管在熔融復合過程中會斷裂，但與長徑比小的CNT相比，長徑比大的CNT仍具有較大的水力學體積，這有效地增加了CNT間相互碰撞、摩擦的幾率，從而使復合體系的逾滲閥值顯著低于長徑比小的CNT的復合體系； (3)無論是在等溫還是非等溫的退火條件下，CNT都具有明顯的異相成核作用，促進了PLA基體晶核的生成；但體系的結(jié)晶速率還與結(jié)晶歷史有關(guān)。等溫條件下，體系從熔融態(tài)冷卻結(jié)晶時，CNT的加

5、入會使結(jié)晶速率加快，而體系在固態(tài)下冷結(jié)晶時卻恰好相反，這是因為冷結(jié)晶時雖然存在異相成核的作用，但是CNT對PLA分子鏈段擴散的阻礙占據(jù)了動力學過程的主導地位，從而使得體系冷結(jié)晶的速率下降。而在非等溫條件下，成核則是動力學過程的控制因素，因此CNT的加入導致體系冷結(jié)晶速率增加； (4) CNT的加入提高了復合材料的拉伸強度和抗沖強度；但當CNT含量達到臨界值1.5 wt％以上時，由于體積填充分數(shù)的急劇增大使得CNT在熔融復合時容

6、易局部團聚，因此復合材料的力學性能反而下降；與純PLA相比，CNT的加入使復合材料的電導率提高了約14個數(shù)量級，而導電逾滲閥值(約為1 wt％)要略大于流變逾滲閥值(0.77 wt％)，這是由兩者的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不同所致；不過復合材料的電導率還依賴于體系的熱歷史：退火后由于PLA基體的結(jié)晶度變大，導致CNT在無定形區(qū)的體積濃度增加，從而使材料的電導率進一步提高； (5)復合材料的降解行為依賴于CNT的表面修飾和材料的熱歷史。在熱降解