MWNT-PVA復(fù)合纖維的制備及其結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、碳納米管具有極高的拉伸強(qiáng)度（約為50 GPa）和模量（約為1 TPa），具有高的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，以及良好的化學(xué)和環(huán)境穩(wěn)定性。如何將單根碳納米管軸向的優(yōu)異性能轉(zhuǎn)變成宏觀材料的性能，從而使碳納米管的性能得到最大限度的利用，一直是人們研究的熱點(diǎn)，但目前已經(jīng)報(bào)道的碳納米管產(chǎn)品的性能都遠(yuǎn)未能達(dá)到單根碳納米管的優(yōu)異性能。其中，碳納米管纖維作為其中的一種形式，主要有五種制備方法：直接合成法、濕法紡絲法、陣列紡絲法、氣凝膠紡絲法、薄膜搓捻法。相對于其它方

2、法，采用濕法紡絲法能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化紡絲過程，且成本較為低廉。目前為止，濕法紡絲法中，主要采用表面活性劑、強(qiáng)酸或乙二醇來分散碳納米管，從而制備宏觀碳納米管纖維，但是其也存在強(qiáng)度及導(dǎo)電性差等缺點(diǎn)。本課題希望采用不同于上述分散體系的方法來制備 MWNT/PVA復(fù)合纖維，以提高機(jī)械性能和電學(xué)性能。
　　本文首先通過共價(jià)改性的方法，如濃硫酸與硝酸的混酸體系處理MWNT，使MWNT表面富集較多的含氧基團(tuán)（如羧基和羥基），制備得到氧化MWNT，然

3、后利用PVA非共價(jià)改性氧化MWNT，使其分散于極性溶劑中，制備出MWNT/PVA/H2O或MWNT/PVA/DMSO紡絲原液，然后通過濕法紡絲制備出一系列不同 MWNT含量的MWNT/PVA復(fù)合纖維，并采用纖維強(qiáng)伸度儀、半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)、SEM、TGA、DSC和 WAXD等手段對復(fù)合纖維進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能表征。在上述基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高纖維的力學(xué)性能與電學(xué)性能，用Hummers制備出氧化石墨烯（GO），并利用紫外還原的方法制備出還原氧化石

4、墨烯（rGO），用GO或rGO進(jìn)行非共價(jià)改性已有的氧化碳納米管，再利用非共價(jià)改性方法將GO/MWNT或rGO/MWNT與PVA共同分散于極性溶劑中，制備出 GO/MWNT/PVA/DMSO和rGO/MWNT/PVA/DMSO紡絲原液，然后通過濕法紡絲制備出GO/MWNT/PVA/和 rGO/MWNT/PVA復(fù)合纖維，并采用纖維強(qiáng)伸度儀、半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)、SEM、TGA、DSC和WAXD等手段對復(fù)合纖維進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能表征。具體研究內(nèi)容和主

5、要結(jié)論概括如下：
　?。?）氧化碳納米管的制備及其結(jié)構(gòu)性能表征
　　由FTIR和TGA分析可知氧化MWNT表面引入了羧基、羥基等含氧官能團(tuán)；由 Raman光譜圖可知原始 MWNT和氧化 MWNT的ID/IG分別為1.46和1.86；由FE-SEM觀察可以得出MWNT相互纏結(jié)顯著減少；由粒徑分析可知氧化 MWNT的平均粒徑為295 nm；由Zeta電位分析可知氧化MWNT的Zeta電位為-38.6 mV；由目測法觀察可知，氧化

6、MWNT在水或DMSO中的分散能力顯著提高。
　?。?）以水為溶劑制備MWNT/PVA復(fù)合纖維及其結(jié)構(gòu)性能表征
　　隨著 MWNT含量的增加， MWNT/PVA復(fù)合纖維的模量增加，斷裂強(qiáng)度先顯著增大后減小，斷裂伸長率減小，電導(dǎo)率顯著增大，結(jié)晶能力下降，熔融峰熔程變寬，PVA的取向度有所降低， MWNT由均勻分布變?yōu)榫植繄F(tuán)聚，表面溝槽數(shù)目有所增加。其中，當(dāng) MWNT含量為10％時(shí)，復(fù)合纖維的強(qiáng)度為0.74 GPa；當(dāng)MWNT含

7、量為20%時(shí)，復(fù)合纖維的模量為12.82 GPa，電導(dǎo)率為1.68×10-3 S/cm。
　　（3）以DMSO為溶劑制備MWNT/PVA復(fù)合纖維及其結(jié)構(gòu)性能表征
　　隨著 MWNT含量的增加，MWNT/PVA復(fù)合纖維的模量和斷裂強(qiáng)度先增大后減小，斷裂伸長率減小，電導(dǎo)率顯著增大，結(jié)晶能力下降，PVA的取向度有所降低，MWNT由均勻分布變?yōu)榫植繄F(tuán)聚，表面由光滑變?yōu)榫植看植?。其中，?dāng)MWNT含量為10%時(shí)，復(fù)合纖維的強(qiáng)度為1.22

8、 GPa，模量為27.54 GPa；當(dāng)MWNT含量為20%時(shí)，復(fù)合纖維電導(dǎo)率為3.36×10-3 S/cm。
　?。?）GO(rGO)/MWNT/PVA復(fù)合纖維的制備及其結(jié)構(gòu)性能表征
　　由氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)性能表征可知，氧化石墨烯含有大量羥基和羧基，片層厚度為2.12 nm，為雙層氧化石墨烯厚度，紫外還原氧化石墨烯含氧官能團(tuán)數(shù)目減少。GO(rGO)/MWNT/PVA復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)性能研究表明：隨著 GO和 rGO的加入，復(fù)合