聚丙烯/碳纳米管复合材料的制备及结构与性能研究

【摘要】：碳纳米管(CNTs)与聚合物复合有望得到高性能和良好导电率的纳米复合材料,这在学术界和工业领域都引起了高度的重视。本论文分别采用聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH)和p成核剂(p-NA)来修饰多壁碳纳米管(MWNTs),对改性后MWNTs复合的聚丙烯纳米复合材料体系的形态结构、结晶形貌、性能及相关的导电机理进行了研究,获得了很多有价值的信息,主要结果如下： 1.采用溶液混合的方法制备了PP/PP-g-MAH-MWNTs纳米复合材料。PP-g-MAH成功地包覆到了MWNTs的表面,使MWNTs均匀地分散在基体中,与基体之间的相容性比未处理的MWNTs有极大的提高。PP/PP-g-MAH-MWNTs纳米复合材料的拉伸强度比PP/MWNTs提高了84.7%,导电率提高了两个数量级。 2.提出了β成核剂(p-NA)非共价键修饰MWNTs的新方法。p-NA通过π-π共轭作用不但有效提高了MWNTs在基体中的分散性,而且β-NA能够细化及均匀晶区尺寸,使得碳管在基体中的网络结构更加完善。DSC和XRD研究结果还表明β成核剂的加入能诱导聚丙烯生成大量的p晶,同时提高复合材料的结晶度。含5wt%β-NA-MWNTs的聚丙烯纳米复合材料不但强度和韧性都得到提高,而且导电率达到4.0×10-3/cm,与PP/MWNTs、PP相比分别提高了3个和11个数量级。分析了β-NA-MWNTs的分散性、复合材料的结晶行为与性能的关系,提出了相应的导电机理模型。 3.研究了P-NA-MWNTs含量对PP力学性能和电学性能的影响,PP/β-NA-MWNTs纳米复合材料的逾渗阈值从PP/MWNTs体系的1.5wt%降为0.3wt%。在此基础上,进一步考察了晶区大小对导电性能的影响,采用等温结晶的方法对不同等温结晶时间下的样品进行分析,研究了此过程对导电性能的影响机制。结果表明：导电率随着等温结晶时间的延长呈现先增加后减小的趋势,在结晶一定时间后出现极值。随着MWNTs含量的增大,出现极值的时间减小,形成良好导电网络所需的晶体尺寸越小。在相同碳纳米管含量下,更高的结晶温度下出现极值的时间延长,达到相同的结晶度需要更长的时间。