聚合物碳纳米管复合材料的制备及性能

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1、聚合物／碳纳米管复合材料的制备及性能材料学专业研究生李宏伟指导教师高绪珊教授自1991年Iijima发现碳纳米管(CNTs)以来，许多研究表明CNT8具有独特的结构，优异的力学性能、电学性能、化学性能。理论和实验结果表明CNTs具有高达1TPa的模量和200GPa的强度，这使CNTs作为纳米增强体可用于先进的结构材料赋予材料优异的力学性能。基于其优良的电性能及很高的长径比，少量Q盯S就可以改进聚合物材料的电性能及电磁屏蔽性能。聚合物，CNTs复合材料成为目前世界上研究热点之一。随着技术的发展，CNTs的产量越来越大，价格逐渐降低，这使CNTs复合材

2、料的大量生产成为可能。在聚合物／CNTs复合材料方面研究者已经取得了很大的进展，但在复合材料的制备及其实际工业应用方面仍有待进一步拓宽和深化。CNTs优异的性能及其尺度因素使其非常适合于制各功能性的聚合物复合材料纤维。本文以成纤聚合物聚丙烯(PP)和尼龙6(PA6)为基体材料，研究了聚合物／CNTs复合材料的制备、结构与性能，并制备出了性能优良的复合材料纤维。得到的主要结果有：1．以十氢萘为溶剂，采用溶液混合、超声处理、溶液絮凝的方法制备了碳纳米管质量含量为0．5％～5％的聚丙烯／多壁碳纳米管(MWNT)复合材料。扫描电子显微镜研究表明MWNT呈纳

3、米级分散。采用差示扫描量热法(DSC)研究了MWNT含量对复合材料中PP非等温结晶性能的影响，并采用Jeziomy法和莫志深法对复合材料进行了非等温结晶动力学处理。结果表明：MWNT对PP的结晶具有异相成核作用，使PP的等速降温结晶峰温(Tp)以及初始结晶温度(To。)向高温方向移动。但是，在实验范围内(O．5～5wt％)，复合材料的T。并不随MWNT的含量增加而增加，少量的MWNT就可以达到成核作用的饱和值；过冷度(Tp—To。)分析表明，MWNT的加入使复合材料的总结晶速率提高，但由于MWNT对PP链段运动有阻碍作用，总结晶速率的增加程度随MW

4、NT含量增加而降低。结晶动力学参数分析表明：PP／MWNT复合材料的Avrami指数n值小于纯PP，MWNT的加入改变了PP结晶的成核机理；在相同的降温速率下，所有PP／MWNT复合材料的半结晶时间tm比纯PP小，结晶速率常数乙比纯PP大，MWNT的加入使材料中PP的结晶速率加快；在MWNT含量为0．5～5wt％范围内，复合材料的t1尼却随MWNT含量增加有所提高，是由于随MWNT含量增加，对PP链段运动的阻碍作用加大造成的。在相同的结晶度下PP／MWNT复合材料的莫志深法结晶特征参数F69均比纯PP小，说明要达到相同的结晶度，PP／MWNT复合材

5、料所需的的降温速率小于纯PP，即PP／MWNT复合材料的实际结晶速率大于纯PP；在相同条件下PP／MWNT复合材料的a值大于纯PP的口值，复合材料与纯PP具有不同的成核机理。MwNT的加入对材料的结晶度和熔融峰温影响不大。偏光显微镜研究表明，PP／MWNT复合材料的结晶形态仍为球晶结构，当MWNT含量为O．5wt％时，观察到球晶尺寸的降低。x射线衍射研究表明，MWNT的加入对PP的结晶晶型没有影响，仍为a单斜晶系。2．CNTs的化学修饰可以帮助其在聚合物基体中的均匀分散。本文采用紫外光辐照引发的方法制备了PP接枝MWNT(PP—g-MWNT)。将P

6、P／MWNT的混合液，在光引发剂存在下，经紫外光照射24h，通过自由基的反应，制备PP．g．MwNT，并用透射电子显微镜(TEM)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、广角X射线衍射(WAXD)、热重分析仪(TGA)、激光拉曼光谱(Raman)进行了表征。结果表明：PP包覆在短的MWNT上，PP．g．MWNT出现PP的特征FTIR峰及WAXD衍射峰，说明PP接枝到MWNT上；连接于MWNT上的PP具有不同的微晶晶型；PP．g-MWNT的接枝率为10．4％左右；经PP接枝后，MWNT本身的结构未发生变化。采用超声处理溶液絮凝法分别制备了PP／(PP．g．

7、MWNT)和PP／MWNT复合材料。复合材料的动态力学性能对比研究表明：接枝改性使CNT与PP问界面作用提高，(PP．g．MWNT)的增强作用远大于未改性的MWNT。在PP的玻璃化温度以上复合材料呈现更好的增强作用，25℃和75"C下，复合材料的储能模量分别增加122％和159％。复合材料的tang峰强明显降低，损耗模量峰在高温侧变宽。Ⅱ3．微量的CNrs加入到聚合物中对材料本身的加工性能影响小，若带来材料性能的提高将具有重要的实际应用价值。本文将MWNT分散在自制的抗静电载体PR-86中制备出新型、高效和耐久的抗静电母粒。抗静电母粒的添加量仅为O

8、．5wt％(MwNT含量：O．05吼％)就可以制备出性能优良的“基体—微纤”型抗静电PP纤维。纤维的摩擦静电压仅为160V