凯夫拉%2f碳纳米管复合薄膜的制备与性能研究

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1、摘要摘要碳纳米管以其优异的热、电和机械性能掀起科研工作者一阵阵的研究热潮。而这其中，其低的密度、大的长径比、高的力学性能在聚合物基增强相中显现出巨大的潜力。凯夫拉纤维是上世纪60年代美国杜邦公司研制出的一种新型芳纶纤维复合材料，这种材料因其高强度、良好的热稳定性而受到人们的重视。2010年Yang利用去质子化的方法可以在不破坏结构的情况下将宏纤维束分散成纳米纤维。凯夫拉纳米纤维也作为一种新的一维纳米材料加入到聚合物的“大家庭”。基于此，利用具有超高模量的碳纳米管与高强度的凯夫拉进行有效复合，突出各自优点，制

2、备高强、高模量、具有一定电学性能的复合薄膜并讨论两者之间的作用规律给聚合物薄膜的研究增加了新亮点。本文以多壁碳纳米管为原材料，分别对其进行了纯化和表面修饰处理。采用硫酸和双氧水预酸化处理的方法，在经过一系列步骤后，获得了羧基化多壁碳纳米管。随后对碳纳米管进行了必要的表征，认为纯化处理有效的提升了多壁碳纳米管的品质。在确认羧基基团有效接入的前提下，定量的计算出了表面羧基化含量。并发现经过处理后的碳纳米管能够以1mg/ml含量均匀的分散到DMSO溶液中。凯夫拉纤维在DMSO溶液中经过氢氧化钾的去质子化处理，在经

3、过一周的搅拌后制备得到了微观尺寸的凯夫拉纳米纤维溶液。经过观察，凯夫拉纳米纤维长1-10μm，直径10-20nm范围内。随后经过适当比例的配合，采用抽滤法制备得到了碳纳米管增强凯夫拉纳米纤维复合薄膜。我们发现复合薄膜能够在400℃左右保持结构完整。由于碳纳米管的有效引入，势必会对凯夫拉复合薄膜的电学性能有所提升。基于此，本文细致的对不同碳纳米管体积分数下复合薄膜的电导率和介电常数-3进行了表征。在碳纳米管体积分数10%时，复合薄膜的电导率达到2.1×10S/cm.薄膜的介电常数1000Hz下最大达到53.2

4、，介电损耗小于2。同时，对于所测得曲线，本文分别对导电和介电阈值进行了拟合。计算得到导电和介电的阈值为2.5%，临界指数1.21和0.025。凯夫拉纤维常被做为增强相在各种聚合物、陶瓷和金属基聚合物中承担载荷。本文将凯夫拉纳米纤维作为基体，希望通过添加碳纳米管作为增强相而获得机械性能极佳的复合材料。通过重点对薄膜的强度和模量进行测试和总结，得到了薄膜的机械性能和碳纳米管质量分数的关系。发现薄膜力学性能随着碳纳米管的质量分数呈现出先上升后下降的趋势，这与其分散程度密不可分。-I-万方数据最后本文采用退火和la

5、yerbylayer增强处理的方法，获得了力学性能提升的复合薄膜。薄膜的最大强度383MPa，模量35.6GPa。碳纳米管的加入能够有效的提升薄膜的力学性能，我们总结并发现所制备复合薄膜在所有多壁碳纳米管增强聚合物薄膜之中力学性能最优。我们随后还探讨了两者之间的相互作用关系，发现两者之间存在强烈的π-π共轭作用力和氢键。这种相互之间的作用力，是除了基体与增强体优异的力学性能之外，复合薄膜力学性能突出的最主要因素。关键词：凯夫拉纳米纤维；多壁碳纳米管；复合薄膜；力学性能；电学性能；LBL；-II-万方数据Ab

6、stractAbstractWithexcellentthermal,electricalandmechanicalproperties,carbonnanotubeshaveattractedhighwavesofscientistsresearchesonit.Inthesenoteworthy,lowdensity,highaspectratio,highmechanicalpropertiesshowinggreatpotentialityinapolymermatrixreinforcedphas

7、e.Kevlar,anewtypeofaramidfibercompositematerial,wasdevelopedbyDuPontin1960s.Scincetheinvention,itshighstrength,goodthermalstabilitydrewlotsofpeople'sattention.Bydeprotonationmethod,YangdispersedmacrostructureofKevlarfibersintonanofiberswithoutdestructionin

8、2010.Sincethen,asanewone-dimensionalpolymermaterial,Kevlarnanofiberswasaddedintothe"polymerfamily".Basedonthese,makingacomprehensiveutilizationoftheultra-highmodulusandhighstrength,WeblendcarbonnanotubesandKe