收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

聚合物/多壁碳纳米管复合材料结构与性能的研究

周桢  
【摘要】: 自从碳纳米管(CNTs)被发现以来,就引起人们极大的兴趣。CNTs具有优异的力学性能,优良的化学稳定性和热稳定性,良好的电性能及微波吸收等特性,并具有独特的一维纳米结构所特有的纳米效应,使其成为聚合物材料理想的增强体,并能赋予聚合物材料许多新的功能。然而CNTs的表面能较高,容易发生团聚,使它在聚合物基体中难以实现均匀细小分散。CNTs要作为增强材料必须要与聚合物基体紧密结合,这样才能使应力有效地传递到CNTs上。如何均匀分散CNTs并增强CNTs和聚合物基体之间的界面结合,是目前急需解决的研究课题。 首先,本文研究了多壁碳纳米管(MWNTs)和导电炭黑(CB)对聚丙烯(PP)复合材料导电性能和逾渗阈值的影响,同时研究了MWNTs和CB用量对PP复合材料的力学性能和结晶性能的影响。研究结果表明PP复合材料的体积电阻率随MWNTs或CB含量的变化均表现出明显的逾渗现象,PP/CB复合材料的逾渗阈值较高,为9.5 wt%左右,而PP/MWNTs复合材料的逾渗阈值在8.0 wt%左右。在PP基体中加入少量MWNTs或CB,可以使PP复合材料拉伸强度和缺口冲击强度提高;但是随着MWNTs或CB含量的继续增大,PP复合材料拉伸强度和缺口冲击强度显著降低。MWNTs或CB的加入使PP材料的断裂伸长率大幅下降。MWNTs或CB的加入明显提高了PP复合材料的热稳定性。MWNTs或CB都能够作为PP的成核剂,促进PP的结晶,使PP的结晶峰温度、结晶总速率和成核速率提高,晶体尺寸分布变窄。当MWNTs含量为0.5 wt%时,MWNTs的成核作用显著,而CB含量为2.0 ~ 3.0 wt%时,CB粒子的成核作用才显著。与CB相比,MWNTs具有更高的比表面积和更发达的树枝状结构,这使得MWNTs对PP复合材料性能影响优于CB。然而碳纳米管之间存在的较强的德华力以及MWNTs与PP基体之间较差的界面结合使MWNTs在PP基体中的难以均匀分散,这些都限制了MWNTs对PP复合材料性能的提高。 其次,为了解决MWNTs在PP基体中的分散不均匀的问题,本文使用了一种硅烷偶联剂表面处理MWNTs的方法。先通过溶胶-凝胶法在MWNTs表面包覆一层氧化硅,然后再用硅烷偶联剂对包覆MWNTs进行表面处理后制备PP/MWNTs复合材料。甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)表面处理碳纳米管能够有效提高MWNTs在PP基体中的分散,增加MWNTs与PP基体之间的界面结合。相同MWNTs含量下,经过表面处理的PP复合材料的拉伸强度高于未经过表面处理的PP复合材料。同时研究了三种不同的硅烷偶联剂表面处理对PP/MWNTs复合材料力学性能的影响。KH-570表面处理对PP复合材料力学性能改善效果优于其他两种硅烷偶联剂,这主要是由于不同硅烷偶联剂有机基团链与PP基体之间的界面结合不同。 通过示差扫描量热(DSC)分析方法研究了经过表面处理和未经过表面处理的PP/MWNTs复合材料的非等温结晶行为,并利用Avrami方程和Hoffman结晶理论描述了复合材料中PP的等温结晶动力学。研究结果表明,经过表面硅烷偶联剂处理后,MWNTs在PP基体中的异相成核效应显著提高,促进PP的结晶,使PP的结晶速率增大,折叠链表面自由能σe降低。 最后,本文研究了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/MWNTs复合材料。在研究过程中,使用了原位乳液聚合法来制备PMMA接枝MWNTs。在高剪切条件下,以2,2’-偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂用乳液聚合法制备了PMMA接枝的MWNTs(g-MWNTs),然后与PMMA熔融共混得到了PMMA/MWNTs复合材料。PMMA复合材料的流变结果表明,PMMA/纯MWNTs复合材料的流变逾渗阈值约为2.5 wt%,而PMMA/g-MWNTs复合材料的逾渗阈值约为1.5 wt%。这种差异是由于MWNTs表面接枝了PMMA分子链后,即使单根碳管与单根碳管之间的距离大于PMMA分子链段的旋转半径,也可以通过接枝在MWNTs表面的PMMA分子链与基体中的PMMA分子链产生缠结,从而形成一个连续的MWNTs-PMMA分子链。因此,仅需相对较少量的g-MWNTs就可以在PMMA基体中形成连续的MWNTs-PMMA分子链网络。 本论文的主要创新之处: (1)研究了一种先通过溶胶-凝胶法在MWNTs表面包覆一层氧化硅,然后再用硅烷偶联剂对MWNTs进行表面处理的方法。与其它报道过的用硅烷偶联剂处理MWNTs表面的方法,这种方法不需要先通过化学氧化处理在碳纳米管表面引入羟基,从而没有破坏MWNTs的结构。 (2)研究了不同含量PP/MWNTs和PP/硅烷偶联剂处理MWNTs复合材料的等温和非等温结晶行为。研究PP结晶过程的各种参数及了解其影响条件,探讨了MWNTs表面硅烷偶联剂处理对PP结晶的影响,为选择合适配方和优化加工成型条件等提供一定的实验依据。 (3)研究了一种在高剪切条件下,用乳液自由基聚合法制备PMMA接枝MWNTs的方法。在以往聚合过程中超声波技术常常被应用来帮助碳纳米管均匀分散在乳液中,而这种方法用高剪切取代超声波分散碳纳米管,为制备聚合物包覆或聚合物接枝MWNTs提供了一种新的方法。 (4)对比研究了不同含量PMMA/MWNTs和PMMA/PMMA接枝MWNTs复合材料的动态流变行为,进一步探讨了复合材料内部结构-性能之间的相互关系。通过“MWNTs-PMMA分子链网络”模型,解释了PMMA/MWNTs和PMMA/g-MWNTs复合材料流变逾渗阈值的差异,可以作为研究其它聚合物/无机填料复合材料结构-性能之间的相互关系的参考。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 ;美国Zyvex公司增加碳纳米管的预浸料找到制造快艇的客户[J];高科技纤维与应用;2009年05期
2 田乃良,常明,杨保和,许德胜,郑启光;碳纳米管在金刚石薄膜化学沉积上的应用[J];光电子.激光;2000年06期
3 王文英;碳纳米管的制造技术及最新研究动态[J];化工新型材料;2000年01期
4 陈小华,王健雄,李学谦,李绍禄,邓福铭,成奋强;电沉积镍-碳钠米管复合镀层的工艺研究[J];表面技术;2002年02期
5 于作龙;碳纳米管的批量制备和应用[J];中国高校科技与产业化;2003年06期
6 ;使用碳纳米管的FED面板齐亮相[J];炭素技术;2004年03期
7 马强,周锋,唐亚平,李辰砂,张世骥,李延辉,唐春和;在碳纳米管上负载硫化镉的研究[J];无机材料学报;2004年05期
8 罗志强,张孝彬,程继鹏,李昱,刘芙,陶新永,印万忠,韩跃新;纳米CaCO_3负载过渡金属CVD法制备多壁碳纳米管的研究[J];高等学校化学学报;2004年10期
9 李秀秀,李晓东,杨荣杰;碳纳米管的功能化研究进展[J];炭素技术;2004年02期
10 ;行业信息[J];炭素技术;2004年06期
11 王哲,黄玉东,白续铎,宋伟,汪成,刘宝珠;噻吩浓度对陶瓷和石英为基底的CVD法制备碳纳米管的影响[J];黑龙江大学自然科学学报;2005年01期
12 熊述元;;最细碳纳米管问世[J];半导体信息;2005年06期
13 ;中科院长春应化所创新出合成碳纳米管新技术[J];材料导报;2009年11期
14 ;碳纳米管增强复合材料研究取得新进展[J];人工晶体学报;2009年S1期
15 吴关寿;碳纳米管一直径1nm的新型碳纤维[J];微细加工技术;1994年03期
16 陈萍,张鸿斌,林国栋,蔡启瑞,翟和生;低温催化裂解烷烃法制备碳纳米管[J];厦门大学学报(自然科学版);1996年01期
17 杨占红,李新海,王红强,李天宝,陈志国,李晶;碳纳米管的提纯──重铬酸钾氧化法[J];化学世界;1999年12期
18 王健雄,陈小华,彭景翠,张振华;碳纳米管镍基复合镀层材料耐腐蚀性的初步研究[J];腐蚀与防护;2002年01期
19 王敏炜,彭年才,李凤仪;硝酸氧化法对碳纳米管进行纯化及开管研究[J];江西科学;2002年04期
20 ;碳纳米管计算机电路[J];炭素技术;2002年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 胡业旻;殷利民;曹威;李瑛;朱明原;白琴;;电晕放电等离子体增强化学气相沉积法合成氮掺杂碳纳米管[A];2011中国功能材料科技与产业高层论坛论文集(第一卷)[C];2011年
2 孙瑞敏;赵辉;陈永;刘洋;赵海沨;;碳纳米管与环氧树脂共混工艺研究[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年
3 李世胜;喻万景;侯鹏翔;刘畅;成会明;罗艳红;孟庆波;吕伟;吴思达;杨全红;;碳纳米管垂直阵列/石墨烯纸复合材料在锂离子电池和染料敏化太阳能电池中的应用[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
4 李曼;白树林;张杨飞;贾治勇;;不锈钢纤维/碳纳米管填充尼龙基复合材料的力学性能研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第3分册)[C];2010年
5 刘夏;杨庆生;;网络碳纳米管复合材料的有效力学性能[A];复合材料:创新与可持续发展(下册)[C];2010年
6 周成飞;翟彤;曹巍;郭建梅;曾心苗;;碳纳米管/聚氨酯酰亚胺复合泡沫材料的制备与性能[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第4分册)[C];2010年
7 陈广新;毕丹;;碳纳米管的表面修饰及其改性聚乳酸的研究[A];2010年全国高分子材料科学与工程研讨会学术论文集(下册)[C];2010年
8 苏丹华;张玲;金磊;李春忠;;静电吸附制备玻璃布/碳纳米管增强体改性环氧树脂[A];颗粒学最新进展研讨会——暨第十届全国颗粒制备与处理研讨会论文集[C];2011年
9 张文毓;;碳纳米管及其应用[A];纳米材料和技术应用进展——全国第三届纳米材料和技术应用会议论文集(上卷)[C];2003年
10 吕建伟;王万录;廖克俊;万步勇;张毅;;形变引发碳纳米管膜电阻变化的研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅱ[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘丽娜;碳纳米管—双马来酰亚胺体系的摩擦磨损研究[D];浙江大学;2010年
2 徐立华;电晕等离子体改性碳纳米管及其在环氧树脂中的应用[D];浙江大学;2010年
3 梅蕾;碳纳米管/碳纤维多尺度结构制备及其界面增强效果研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
4 朱幸福;碳纳米管复合材料及碳纳米管为模板的纳米管的制备与性质研究[D];吉林大学;2011年
5 崔伟;表面修饰碳纳米管/环氧树脂复合材料的界面结构与性能[D];华中科技大学;2011年
6 蒋辽川;半导体金属氧化物修饰碳纳米管的制备及其电催化、光电催化性能的研究[D];华南理工大学;2010年
7 亓钧雷;碳纳米管、碳纳米片、石墨烯及其复合物的制备和场发射性能的研究[D];吉林大学;2010年
8 姚胜红;碳纳米管/聚偏氟乙烯高介电纳米复合材料的显微结构控制与介电性能的关联[D];北京化工大学;2009年
9 韩占涛;表面活性剂悬浮碳纳米管在孔隙介质中的运移研究[D];中国地质科学院;2010年
10 叶丽娜;无机空心微纳米结构的制备及其应用[D];中国科学技术大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 贾春燕;碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备及性能研究[D];中南大学;2008年
2 吴珺玥;碳纳米管/聚(丙三醇—癸二酸—柠檬酸)酯复合材料的制备与表征[D];北京化工大学;2009年
3 徐勤;碳纳米管树状分子复合材料的制备及其性能研究[D];上海师范大学;2010年
4 祝丽娟;碳纳米管/二氧化硅/炭黑/溶聚丁苯橡胶硫化胶性能研究[D];南京理工大学;2010年
5 林德盟;高分子水凝胶修饰碳纳米管神经元探针[D];南京理工大学;2010年
6 刘晓伟;碳纳米管及其复合物的制备和场发射性能的研究[D];吉林大学;2010年
7 陈晨;碳纳米管的功能化及其复合材料的电化学性能研究[D];北京化工大学;2010年
8 秦瑞红;气体膨胀液体的热力学性质研究及其在碳纳米管功能化修饰中的应用[D];郑州大学;2010年
9 林小静;碳纳米管的低温等离子体改性及其引发苯乙烯接枝共聚[D];天津大学;2010年
10 王蜜;聚硅氧烷接枝碳纳米管及聚合物复合材料的制备与性能[D];东北林业大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 刘霞;吸入碳纳米管可影响人体免疫力[N];科技日报;2009年
2 记者 何德功;日研制出直径最小碳纳米管[N];新华每日电讯;2003年
3 记者 吴辉;我国碳纳米管产业化突破“瓶颈”[N];中国知识产权报;2001年
4 张巍巍;碳纳米管可激发人体自身免疫反应[N];科技日报;2010年
5 黄绍平;碳纳米管实用的路还远吗?[N];中国电子报;2001年
6 记者 谢昭萍 特约记者 肖萍;我国碳纳米管截短技术获得突破[N];中国化工报;2004年
7 记者 薛冬 通讯员 谭少容;我国率先实现碳纳米管产业化[N];光明日报;2001年
8 本报记者 薛冬 通讯员 谭少容;碳纳米管身价何以远高于黄金[N];光明日报;2001年
9 黄中;碳纳米管及其应用[N];中国知识产权报;2001年
10 冯卫东;数百米超长碳纳米管面世[N];科技日报;2009年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978