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碳纳米管官能化以及对T1000碳纤维/环氧树脂复合材料性能的影响

田继斌  
【摘要】: 碳纳米管(CNTs)作为一种新型的准一维功能材料,具有优良的力学、电学等性能,但由于CNTs表面呈化学惰性,并且与树脂基体的相容性较差,在聚合物基体中的分散性不好,直接作为复合材料增强体使用,反而会造成材料性能的下降。已有的研究表明,没有经过处理的CNTs与环氧树脂基体形成的界面不好,并且会使树脂体系黏度提高很大,不适于缠绕等复合材料成型工艺。CNTs官能化是提高其在基体中分散性和界面结合性能的行之有效的途径,也是近年来的研究热点。通过官能化处理可以在碳纳米管表面引入活性基团,如羧基(COOH)、胺基(NH_2)等,有效的减少碳纳米管自身的团聚问题,改善与其他材料间的界面结合,提高复合材料的性能。 本研究采用混酸H_2SO_4/HNO_3(3:1)对CNTs进行氧化处理,得到羧基化碳纳米管并研究了温度对氧化效果的影响,接着利用SOCL_2进行酰氯化处理,再通过乙二胺进行酰胺化处理。应用红外(FT-IR)、X光电子能谱(XPS)、透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)等对官能化后的多壁碳纳米管(MWNTs)进行微观结构的表征。结果表明,MWNTs表面已经成功接枝上了羧基与胺基,并且官能化处理过程不会破坏MWNTs本身的结构。 将改性后的CNTs应用到环氧树脂基体中,并通过湿法缠绕工艺制备出碳纤维增强环氧树脂复合材料。研究了CNTs对环氧树脂体系粘度和复合材料性能的影响,当官能化CNTs的含量为1wt%时,复合材料的NOL环的层间剪切强度(ILSS)从73MPa提高到94MPa,提高了将近30%,复合材料破坏形貌显示,CNTs改善了树脂基体与碳纤维的界面。应用差示扫描量热仪(DSC)研究CNTs对环氧树脂固化动力学的影响,结果表明添加1wt%胺基化CNTs之后树脂体系的活化能降低,说明胺基化CNTs能够促进固化反应。


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