碳納米管的PVP表面修飾及其在環(huán)氧樹脂復合材料中的應用研究.pdf

1、碳納米管(CNTs)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,CNTs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CNTs在聚合物基體領域應用。環(huán)氧樹脂(EP)是一種常用的熱固性樹脂,在工業(yè)中廣泛應用。用CNTs增強EP,可以制備高性能的CNT

2、s/EP復合材料,使環(huán)氧樹脂的應用更加廣闊。
　　為了解決 CNTs/EP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(nèi)容分為三個部分,主要從CNTs在EP基體中的分散和界面結合的角度出發(fā),研究了CNTs與EP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、和力學性能的表征,分析了改性后的CNTs在EP中的作用機理。
　　在第一部分研究內(nèi)容中,主要研究了在Fenton試劑作用下聚乙烯基吡咯烷酮(PVP

3、)修飾CNTs。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、紅外光譜(FTIR)、熱失重(TGA)、接觸角等方法進行表征。結果表明,利用Fenton試劑分解出的具有強氧化性的HO·,可以使PVP對CNTs的傳統(tǒng)的物理包覆改性變?yōu)榫哂泄矁r鍵作用的化學改性,同時可以實現(xiàn)羥基化改性,同時也使PVP的接枝率顯著提高;改性后的CNTs在乙醇和丙酮溶劑中具有良好的溶解性;當H2O2/FeCl2摩爾比為10/1時對應的接枝率要高于H2O2/FeCl2摩爾比為5/1

4、的,隨著PVP用量的增加,接枝率有增加的趨勢,但增幅較小,說明在此用量范圍內(nèi),PVP用量不是決定接枝率的主要因素;只經(jīng)過PVP表面包覆的CNTs和Fenton試劑和PVP同時處理的CNTs都比原始CNTs的親水性好,而且Fenton試劑和PVP同時處理的CNTs的親水性更好,說明兩者同時處理能更大程度地提高CNTs的親水性。
　　在第二部分研究內(nèi)容中,采用水熱法PVP表面包覆改性CNTs,利用水熱法提供的高溫高壓環(huán)境,加速傳質(zhì)過程

5、,從而可以提高處理效率和效果。具體研究考察PVP濃度、溫度、保溫時間以及PVP類型等影響因素,采用SEM、FTIR、TGA、接觸角等手段對其進行了表征與分析討論。研究結果表明,水熱法較常用的常壓法相比,可以顯著提高CNTs的PVP包覆率,且使PVP同CNTs之間具有更強的作用力,同時使處理效率有較大提高;PVP用量、保溫時間和PVP種類是影響PVP包覆率的主要因素,包覆率隨著PVP用量和保溫時間及PVP分子量的提高而提高,但在PVP用量

6、達到一定量后該影響變?nèi)?隨保溫時間延長出現(xiàn)最大值后又會下降;較原始CNTs相比,改性后的CNTs與水的親和性大大改善,表現(xiàn)為接觸角顯著降低,同時在水中的分散性極大改善,幾乎可以實現(xiàn)單分散;同時改性后的CNTs在乙醇和丙酮中的分散性也大大改善。
　　在第三部分研究內(nèi)容中,利用水熱PVP修飾后的CNTs分別在NaOH和HCl溶液作用下,先后發(fā)生PVP的水解反應和聚N-乙烯基-γ-氨基丁酸鈉的置換反應從而制備出改性的CNTs,采用SEM

7、、FTIR、TGA、DSC等方法進行表征。研究結果表明改性后的CNTs較原始CNTs在丙酮溶劑中的分散性更好;經(jīng)過水解和置換反應后的CNTs在水中的分散性明顯提高,在光學顯微鏡下已經(jīng)看不到像原始CNTs那樣很明顯的團聚現(xiàn)象了,親水性能得到很大地提高。
　　在第四部分研究內(nèi)容中,利用第一和第三部分中制備的PVP修飾的CNTs,制備CNTs/EP復合材料,采用SEM、FTIR、TGA、DSC、力學性能測試等方法進行表征。Fenton試

8、劑和PVP同時修飾的CNTs與EP的界面作用顯著改善,與未改性CNTs相比對EP納米復合材料的綜合性能更有利;在0.25wt％含量下,顯著提高了EP納米復合材料的沖擊強度和玻璃化轉變溫度,彎曲強度略有提高,彎曲模量略有降低,熱穩(wěn)定性基本不發(fā)生改變;聚N-乙烯基-γ-氨基丁酸修飾的CNTs與EP的界面作用顯著改善,與原始CNTs相比對EP納米復合材料的綜合性能更有利。在0.25wt%含量下,雖然彎曲模量降低了,但使EP納米復合材料的沖擊強