有機分子鏈修飾碳納米管及其在環(huán)氧樹脂中應用研究.pdf

1、碳納米管由于其獨特的結構和傳遞特性,而具有優(yōu)異的力學、電學、熱學、光學和電磁學等特殊性能,用作為聚合物基體特種功能增強材料已經(jīng)受到了各界研究者的廣泛關注。納米復合材料能夠很大程度上增強聚合物材料的性能,使其應用更加廣泛。然而,碳納米管在聚合物基體中纏結團聚嚴重及分散性和界面結合力差,從而嚴重制約了碳納米管在聚合物基體領域應用。環(huán)氧樹脂是一種常用的熱固性樹脂,在工業(yè)中廣泛應用。用碳納米管增強環(huán)氧樹脂,可以制備高性能的碳納米管/環(huán)氧樹脂復合

2、材料,使環(huán)氧樹脂的應用更加廣闊。
　　為了解決碳納米管/環(huán)氧樹脂復合過程中存在的基本問題,從而制備高性能復合材料,本工作研究內容分為三個部分,主要從碳納米管在環(huán)氧樹脂基體中的分散和界面結合的角度出發(fā),研究了碳納米管與環(huán)氧樹脂復合材料的制備與表征,通過對復合材料的微觀結構、熱性能、電學性能和力學性能的表征,分析了改性后的碳納米管在環(huán)氧樹脂中的作用機理。
　　在第一部分研究內容中,主要研究了碳納米管表面羥基化表面改性。碳納米管在

3、稀硝酸純化后,用混酸、濃堿、濃硫酸/雙氧水混合試劑以及Fenton試劑處理碳納米管,在其表面引入羥基,再通過縮水甘油氧丙基硅烷偶聯(lián)劑(KH560)修飾。采用SEM、FTIR、TGA等方法進行表征。結果表明,純化后的碳納米管在其表面的無定型碳和催化劑等雜質被除去,由于采用的是較為溫和的反應條件,稀硝酸純化對碳納米管的表面破壞作用較小,且沒有引入羧基和羥基等基團;四種方法中,Fenton試劑法是碳納米管表面羥基化的最好方法;經(jīng) Fenton

4、試劑處理后,碳納米管的表面引入大量的羥基,進一步用偶聯(lián)劑(KH560)修飾后在其表面引入了環(huán)氧基團;硅烷偶聯(lián)劑修飾 Fenton試劑處理后的碳納米管在丙酮中分散和穩(wěn)定性最好并且表面失重率8.11％;原始碳納米管和其他試劑改性的碳納米管表面沒有引入羥基,進一步用硅烷偶聯(lián)劑(KH560)修飾后在丙酮中分散和穩(wěn)定性沒有提高而且碳納米管表面失重率很低。
　　在第二部分研究內容中,主要研究了四種偶聯(lián)劑修飾羥基化碳納米管及其環(huán)氧樹脂復合材料的

5、性能。為提高碳納米管的分散性以及獲得不同的界面特性,分別利用硅烷偶聯(lián)劑KH550、KH560、KH570和鈦酸酯偶聯(lián)劑NDZ201對羥基化碳納米管進行表面修飾,采用(超聲+高速攪拌)分散—排氣—澆鑄—固化法制備不同種類的碳納米管/環(huán)氧樹脂復合材料,研究不同偶聯(lián)劑修飾的碳納米管對復合材料微觀結構、熱性能、電學性能和力學性能的影響。實驗結果表明,當碳納米管和硅烷偶聯(lián)劑KH560質量比為1:1時,硅烷偶聯(lián)劑KH560處理的碳納米管/環(huán)氧樹脂復

6、合材料熱性能、電學性能和力學性能最好,其主要原因是硅烷偶聯(lián)劑KH560修飾后的碳納米管表面帶有環(huán)氧基改善了碳納米管在環(huán)氧樹脂中的分散性和界面結合性能;當碳納米管含量為0.25%時,復合材料的沖擊強度、彎曲強度、彎曲模量和斷裂韌性比純環(huán)氧樹脂的各項分別提高了108%、32.8%、8.7%和20%;相比較而言,其他偶聯(lián)劑改性的碳納米管/環(huán)氧樹脂復合材料的性能都較差。
　　在第三部分研究內容中,主要研究了多官能團的丙烯酸酯衍生物的縮水甘

7、油酯(GMA)接枝聚合修飾碳納米管及其環(huán)氧樹脂復合材料的性能。研究了三種不同接枝率的GMA改性碳納米管在環(huán)氧樹脂基體中的分散性及其對復合材料玻璃化溫度(Tg)、電學性能、力學性能的影響,同時也研究了GMA改性和其他方法改性的碳納米管在改變碳納米管含量時對EP復合材料的電學性能和力學性能的影響。結果表明,GMA與CNTs質量比為15:1處理的CNTs接枝率最高,在丙酮中的穩(wěn)定性和分散效果最好;GMA試劑修飾的CNTs較偶聯(lián)劑KH570修飾

8、的對EP的玻璃化溫度(Tg)提高更明顯,接枝率為30.61%的GMA改性CNTs這一效果最好;接枝率為5.12%的GMA改性CNTs/EP復合材料導電性最好;GMA改性CNTs/EP復合材料的介電性能較EP發(fā)生了較大變化,而較原始CNTs對應體系的介電常數(shù)和介電損耗有十幾倍的降低;GMA改性CNTs對復合材料的增韌效果明顯,GMA與CNTs質量比為15:1時處理的CNTs/EP復合材料綜合力學性能最好,其沖擊強度、彎曲強度、彎曲模量和斷