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碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的研究

孟云飞  
【摘要】: 聚丙烯腈(PAN)是碳纤维的主要原料,具有极其优良的性能,但其力学性能很不理想,且其导电率极低,相当于绝缘体。碳纳米管(CNTs)非凡的力学性能及优异的电学性能使其成为理想的聚合物材料的改性体。本研究所做的工作就是将CNTs添加至PAN基体中,从而来改善PAN材料的力学性能及电学性能。 采用混酸处理多壁碳纳米管(MWNTs),并重点考察了最佳酸化时间,利用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR),X-射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对酸化的MWNTs进行表征,结果表明混酸能够有效地除去粗MWNTs试样中的杂质且为其引入了-COOH和-OH等活性基团,可实现在极性溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中长期均匀分散。 采用水相悬浮聚合法合成PAN粉末。通过溶液共混的方式将酸化的MWNTs添加到PAN基体中制备出不同掺比的MWNTs/PAN复合材料薄膜,然后分别采用XRD、FT-IR、SEM、高阻计、拉力机和动态力学分析仪(DMA)等仪器进行表征,结果表明酸化处理后的MWNTs与PAN基体间有一定的界面作用,MWNTs在PAN基体中分散均匀;MWNTs的添加使得复合材料的电学性能得到改善,力学性能得到增强。其中,MWNTs含量为20 wt t%时各项性能达到最佳值。材料的电阻率随着MWNTs含量的增加而减小,测得该复合材料的渗流阈值位于5-10 wt %之间。对比纯PAN材料,复合材料的最大拉伸强度提高了63%,断裂伸长率下降了50%,电阻率减小了接近10个数量级。在一定的MWNTs含量的范围内,复合材料的储能模量,损耗模量和玻璃化温度都随着MWNTs含量的增加而渐次升高。


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