高壓下零維及一維碳納米材料協(xié)同誘導(dǎo)聚碳酸酯結(jié)晶行為的研究.pdf

1、聚碳酸酯(PC)是一種性能優(yōu)異的工程塑料，但因?yàn)榉肿渔溨写罅勘江h(huán)的存在使其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較高，分子鏈運(yùn)動(dòng)緩慢，導(dǎo)致其結(jié)晶十分困難，結(jié)晶度較低。目前，PC在工程材料上的應(yīng)用主要以非晶態(tài)為主，但適當(dāng)?shù)臈l件可以促使其結(jié)晶。聚合物材料的機(jī)械力學(xué)性能與它的結(jié)晶能力以及晶體結(jié)構(gòu)有極大的關(guān)聯(lián)，因此，尋求提升PC的結(jié)晶度及結(jié)晶速率的方法已成為各國學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。
　　零維納米材料碳富勒烯特別是C60具有特異的性能，其應(yīng)用前景不可估量;而碳納米

2、管(CNT)具有獨(dú)特的一維管狀分子結(jié)構(gòu)和極大的長徑比，以及極高的強(qiáng)度、韌性和彈性模量。近年來隨著C60及CNT產(chǎn)量的增加與質(zhì)量的提高，聚合物/碳富勒烯及聚合物/碳納米管復(fù)合材料引起了材料學(xué)界的廣泛關(guān)注。將富勒烯引入到聚合物體系中，可將其獨(dú)特的性質(zhì)與聚合物的性能如粘彈性、成膜性、加工性等相結(jié)合，制備出具有優(yōu)異功能的復(fù)合材料體系;將CNT作為復(fù)合材料增強(qiáng)體，可表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性，帶來復(fù)合材料性能的飛躍。另外，納米材料

3、是有效的成核劑。C60及CNT的加入能加快聚合物的成核速率及結(jié)晶速率。并且，PC熔體能夠在高壓條件下發(fā)生取向產(chǎn)生誘發(fā)成核的作用，從而提高PC的結(jié)晶速率。
　　本論文通過機(jī)械共混-熔融共混的方法分別制備出了碳納米材料整體分散良好的PC/CNT及PC/CNT/C60納米復(fù)合材料。并在不同溫度、壓力及結(jié)晶時(shí)間的條件下分別研究了PC/CNT及PC/CNT/C60納米復(fù)合材料的結(jié)晶行為。獲得了以下研究結(jié)果:
　　1.通過機(jī)械共混-熔融

4、共混的方法分別制備出了PC/CNT及PC/CNT/C60納米復(fù)合材料。PC/CNT納米復(fù)合材料的透射電鏡(TEM)檢測(cè)表明，加入7％CNT含量的PC/CNT納米復(fù)合材料的中CNT的總體分散良好，PC與CNT達(dá)到了納米級(jí)的混合，但隨著CNT含量的繼續(xù)增加，在CNT含量為10％的PC/CNT納米復(fù)合材料中CNT的團(tuán)聚極其嚴(yán)重。對(duì)PC/CNT/C60納米復(fù)合材料的TEM檢測(cè)表明，同時(shí)加入1％C60及5％CNT的PC/CNT/C60復(fù)合材料中兩

5、種碳納米材料均在PC基體中分散良好，且均達(dá)到了納米級(jí)的分散。因此，我們選擇碳納米材料整體分散均勻良好的PC/CNT(93/7，wt/wt)及PC/CNT/C60(94/5/1，wt/wt/wt)復(fù)合材料作為我們實(shí)驗(yàn)研究體系。
　　2.CNT在高溫高壓條件下誘導(dǎo)PC結(jié)晶行為的研究。廣角X射線衍射(WAXD)檢測(cè)結(jié)果顯示CNT的加入其高壓條件并沒有使PC的晶型發(fā)生改變，PC/CNT高壓樣品中的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的仍然是PC的單斜晶體結(jié)構(gòu)。差

6、示掃描量熱法(DSC)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，PC/CNT樣品的結(jié)晶度及熔點(diǎn)均隨結(jié)晶溫度的升高而升高，并在300℃的條件下達(dá)到最大值;PC/CNT樣品的最佳結(jié)晶壓力為200MPa，隨著壓力的進(jìn)一步升高，反而使其過冷度增加，分子鏈運(yùn)動(dòng)困難，從而導(dǎo)致PC/CNT樣品的結(jié)晶度及熔點(diǎn)降低;結(jié)晶時(shí)間對(duì)PC/CNT納米復(fù)合材料的高壓結(jié)晶有著極大影響，結(jié)晶時(shí)間僅為3h的樣品其結(jié)晶度即可達(dá)3.71％，這說明CNT起到了良好的成核效果，能快速誘導(dǎo)PC結(jié)晶，隨著結(jié)晶時(shí)間

7、的延長，PC/CNT高壓結(jié)晶試樣的結(jié)晶度及熔點(diǎn)都隨之增加，其中，結(jié)晶時(shí)間為18h的試樣的結(jié)晶度高達(dá)39.03％。掃描電子顯微鏡(SEM)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，PC/CNT納米復(fù)合材料在高壓條件下主要生成樹枝狀的晶體結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)樵赑C基體中CNT相互交織在一起，在高溫高壓條件下，這些相互交織在一起的CNT協(xié)同誘導(dǎo)導(dǎo)致了高壓樣品中樹枝狀晶體結(jié)構(gòu)的生成。此外，在PC/CNT高壓試樣中還觀察到了球晶、類似蜂窩狀的多孔不規(guī)則晶體、穗狀分支生長的晶體等晶體形

8、貌。
　　3.C60及CNT在高溫高壓條件下協(xié)同誘導(dǎo)PC結(jié)晶行為的研究。WAXD檢測(cè)結(jié)果表明在高壓下C60及CNT的協(xié)同誘導(dǎo)作用同樣沒有改變PC的晶型，PC/CNT/C60高壓樣品中的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的仍然是PC的單斜晶體結(jié)構(gòu)。DSC檢測(cè)發(fā)現(xiàn)PC/CNT/C60復(fù)合材料的最佳結(jié)晶溫度為300℃、最佳結(jié)晶壓力為200MPa，并在結(jié)晶時(shí)間為24h的條件下制備出了結(jié)晶度高達(dá)27.70％、熔融溫度為238.65℃的高壓結(jié)晶樣品。在C60及CN