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《复旦大学》 2009年
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碳纳米管的修饰和环氧树脂功能改性的研究

钦琛  
【摘要】: 环氧树脂已被广泛应用于保护涂层、结构胶黏剂、低应力下的电子封装材料和高性能复合材料等领域。当环氧树脂固化以后,其结构会变成交联网状结构,呈现出脆性和较低的抗冲击性能。为了克服上述问题,人们已经对环氧树脂的增韧改性展开了深入的研究。环氧树脂可以依靠添加橡胶粒子的方法实现增韧,但是这种方法会使模量和屈服应力相应下降。而线性热塑性高聚物不仅可以提高树脂的韧性,还可以保留树脂的诸多性能。热塑性高聚物增韧环氧树脂首先要解决的问题是两相间是否有良好的界面粘结力。从上世纪90年代开始的研究指出,热塑性高聚物增韧环氧树脂的复合材料在一些特殊场合还要求有一定透明度。聚乙二醇(PEG)是一种重要的已被商业化生产的结晶型高聚物,有着优秀的柔顺性和生物相容性,在互溶高聚物混合体系中经常被用到。本论文研究了热固性酚醛环氧树脂(EPN)和PEG的互混体系。通过偏光显微镜(POM)和差示扫描量热仪(DSC)对固化前的共混样品进行了热学分析,发现所有的样品在无定形状态下是完全互溶的,因为每一个样品都只有一个热力学转变温度(T_g)。当EPN含量大于40%,T_g的值符合Gordon-Taylor公式。用4,4'-二氨基二苯甲烷(DDM)固化后的样品也用DSC和热重分析仪(TGA)进行了测试,发现PEG在固化前后的体系中的结晶性能不同,这是由固化样品的高密度交联网状结构的拓扑效应造成的。用傅里叶红外光谱(FTIR)的检测结果显示,PEG/EPN复合材料的未固化和固化样品之间均存在分子间的氢键作用力。力学性能测试显示,添加10%的PEG可以使固化的复合材料的力学性能得到最大的提高。 磁性纳米粒子由于具有独特的性质和潜在的应用前景已越来越受到科研人员的关注。虽然磁性纳米粒子有很多种,但是人们的研究主要集中于Fe_3O_4和γ-Fe_2O_3,因为它们无毒而且性质稳定,这也使氧化铁纳米颗粒成为生物医学领域的研究热点。我们用乙酰丙酮铁在1-甲基-2-吡咯烷酮溶剂中热分解制备了磁性纳米粒子。颗粒大小和形状可以通过改变反应参数进行控制。例如,体系中添加了油酸表面活性剂,粒子尺寸减小。此外,逐步升温的反应过程有利于颗粒形态的规整。所获得的氧化铁纳米粒子分别进行X射线衍射光谱分析(XRD)、透射电子显微镜(TEM)观察、FTIR分析、TGA测试和振动样品磁强计(VSM)测试。所有的实验数据表明,我们发现了一个简便而有效的途径成功地合成了单分散氧化铁纳米颗粒。此外,油酸和1-甲基-2-吡咯烷酮可能在粒子表面形成了一个插入式的包覆层。 自从碳纳米管(CNTs)于1991年被发现以来,人们对其进行了深入的研究,由于具有独特的结构,CNTs表现出优良的电学、力学和热学性能。运用其空心管腔,碳纳米管可以用作载体或反应物来制备纳米器件和纳米结构材料。此外,碳纳米管的表面被证明非常有益于大规模质量或离子的转移从而用来改性基质材料。因此,许多有用的材料已通过共价键、物理吸附、化学气相沉积和其他技术或包覆或吸附到碳纳米管表面。我们通过在1-甲基-2-吡咯烷酮和羧基化多壁碳纳米管(MWNTs)的混合溶液中热降解乙酰丙酮铁[Fe(acac)_3]成功制备了磁性碳纳米管。分析结果发现,吸附到MWNTs上的纳米粒子主要是Fe_3O_4。FTIR光谱证明粒子牢牢地吸附在MWNTs表面是因为金属和羰基之间的配位作用。我们还把改性过的碳纳米管引入环氧树脂制备得到磁性纳米复合材料。磁学性质由VSM测定。 磁性单壁碳纳米管(SWNTs)的合成过程包括两个步骤:(a)、在SWNTs表面的聚丙烯酸(PAA)的共价原位聚合;(b)、Fe(acac)_3的热分解产生氧化铁纳米粒子,随后吸附到PAA包覆的SWNTs表面。实验结果表明,磁性SWNTs分散在水中后对外部磁场的响应灵敏。SWNTs经过改性以后,我们可以通过一块普通磁铁在环氧树脂基体中实现SWNTs的有序排列,进而赋予复合材料优异的磁学和力学性能。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TB383.1

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