聚芳醚腈/碳纳米管复合材料的制备与性能研究
【摘要】：
聚芳醚腈以其优良的耐热性能和机械性能在特种高分子材料领域占有重要的地位,具有广泛的应用前景。本文研究了聚芳醚腈/碳纳米管复合材料的制备及力学性能、电性能、流变性能及热稳定性。
采用酸化-酰氯化的方法在多壁碳纳米管上接枝4-氨基苯氧基邻苯二甲腈,应用TEM、FTIR、TGA等手段对接枝产物进行了表征。结果表明,经浓硫酸/硝酸(3/1)的混酸处理能够有效去除碳纳米管中的杂质,促进碳纳米管的分散;使碳纳米管表面形成羧基,再通过酰氯化反应接枝4-氨基苯氧基邻苯二甲腈。这为进一步的复合材料制备奠定了基础。
应用三种工艺制备了聚芳醚腈/碳纳米管复合材料,即(1)直接溶液共混法;(2)使用分散剂的溶液共混法;(3)接枝溶液共混法。并考察工艺方法和碳纳米管含量对复合材料性能的影响。结果表明,对所得复合材料的增强效果有接枝溶液共混法最佳,使用分散剂的溶液共混法次之,直接溶液共混法较差。使用接枝法制得的复合材料,由于碳纳米管自身的分散性和与树脂的相溶性的提高,因此增强效果最为显著,且表现出复合材料增强的逾渗转变现象,当碳纳米管含量为1wt%时,综合性能达到最高,拉伸强度由85MPa提高到133MPa,提高了56%;玻璃化转变温度由161oC提高到174oC,起始分解温度由450oC提高到475oC,700oC时残留率由60%提高到70%,表面电阻率由1015Ω·cm降为109Ω·cm,下降了6个数量级。对添加了分散剂的溶液共混法,同样在碳纳米管含量为1wt%时复合材料的综合性能达到最佳,拉伸强度由85MPa提高到122MPa,玻璃化转变温度由161oC提高到164 oC,起始分解温度由450oC提高到470oC,700oC时残留率由60%提高到65%,表面电阻率由1015Ω·cm降为109Ω·cm,而对直接共混所得的复合材料,由于碳纳米管的分散性较前两种方法差,因此所得材料的综合性能也较前两种方法差,复合材料力学性能转变点出现在碳纳米管含量为0.5wt%时,拉伸强度由85MPa提高到103MPa,同时表面电阻率从1015Ω·cm降为1011Ω·cm,材料的玻璃化转变温度和起始分解温度无明显变化。
对聚芳醚腈的交联反应进行了研究和分析,主要研究了反应温度和反应时间对交联程度的影响,结合应力流变仪对交联产物的内部结构进行表征,证明了聚合物在热催化条件下有交联反应发生,根据处理温度与时间的不同,交联反应进行的程度不尽相同,最高交联率达可到9%。通过交联,材料在提高耐热性的同时并未丧失热塑性材料的性质。
通过热重分析,采用程序升温法研究了聚芳醚腈、聚芳醚腈/碳纳米管复合材料及聚芳醚腈交联产物在氮气中的热分解动力学,在不涉及分解机理的情况下,利用Ozawa-Flynn-Wall法和Friedman法从不同的角度求得了材料的分解活化能,再使用satava法确定其分解机理。研究结果表明,聚芳醚腈的在氮气中反应活化能为103KJ/mol,分解机理为随机成核与随后生长,聚芳醚腈交联物的分解机理为二维相界面反应,反应活化能为160KJ/mol,使用了分散剂的共混法与接枝法制得的聚芳醚腈/碳纳米管复合材料的分解机理均为随机成核与随后生长,反应活化能分别为92KJ/mol和78KJ/mol。
【关键词】：聚芳醚腈 多壁碳纳米管 复合材料 交联 分解动力学 【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TB332
【DOI】：CNKI:CDMD:2.2007.100578
【目录】：
- 摘要4-6
- ABSTRACT6-10
- 第一章 绪论10-22
- 1.1 碳纳米管的结构与化学特性质10-11
- 1.2 碳纳米管的制备11-12
- 1.3 碳纳米管的表面处理12-14
- 1.4 聚芳醚腈类聚合物14-16
- 1.5 聚合物/碳纳米管纳米复合材料的制备与性能16-20
- 1.6 本论文提出的背景、意义及主要研究内容20-22
- 第二章 碳纳米管的表面处理22-28
- 2.1 实验部分22-24
- 2.2 结果与讨论24-27
- 2.3 本章小节27-28
- 第三章 聚芳醚腈/碳纳米管复合材料的制备与性能研究28-42
- 3.1 实验部分28-30
- 3.2 结果与讨论30-37
- 3.3 PEN/MWNT 复合材料的动态流变研究37-41
- 3.4 本章小节41-42
- 第四章 聚芳醚腈的交联反应研究42-52
- 4.1 实验部分43-44
- 4.2 结果与讨论44-51
- 4.3 本章小节51-52
- 第五章 聚芳醚腈/碳纳米管复合材料的热降解动力学的研究52-65
- 5.1 实验部分53-54
- 5.2 氮气中聚芳醚腈及其复合材料的热分解动力学54-64
- 5.3 本章小节64-65
- 第六章 结论65-66
- 致谢66-67
- 参考文献67-72
- 攻硕期间取得的研究成果72-73
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