尼龙6MWT 纳米纤维的形态学和力学性能.doc

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1、尼龙6/MWNT纳米纤维的形貌与力学性能MoncyV.Josea,BrianW.Steinertb,c,1,VinoyThomasa,2,DerrickR.Deana,*,MohamedA.Abdallaa,GaryPriced,GreggM.JanowskiaaDepartmentofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofAlabamaatBirmingham(UAB),15303rdAvenue,South,Birmingham,AL35294-4461,USAbDepartmentofPhysics,

2、RhodesCollege,Memphis,TN38112,USAcDepartmentofBiology,RhodesCollege,Memphis,TN38112,USAdUniversityofDaytonResearchInstitute,Dayton,OH45469,USAReceived19June2006;receivedinrevisedform8December2006;accepted11December2006Availableonline20December2006Abstract摘要尼龙6和表面改性后的多壁碳纳米管通过静电纺丝(

3、使用一根旋转的轴柄)处理,成功制备了分散均匀的尼龙6/碳纳米管复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热(DSC)、X-射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和动态力学分析(DMA)等仪器对纳米复合材料的形貌和性能进行了表征。DSC和XRD表明了复合材料中碳管的存在,且尼龙6从γ晶型转变为α和γ的复合晶型。TEM和WAXD分别用来表征碳纳米管和分子取向。在碳纳米管的添加量较低时(0.1和1.0wt%),尼龙6复合材料的储存模量显著的增加,尽管碳纤维管的浓度的相对较低。因此,经表面处理后,碳纳米管/尼龙6复合材料较尼龙6在结构和性能上均有所

4、增强。关键词:静电纺丝;尼龙6;改性碳纳米管1.导论在过去的五年期间,碳纳米管(CNTs)改性的复合材料受到了极大地关注。CNTs的直径只有几个纳米,而它的长度可达到几百个纳米;也就是说CNTs具有很高的长径比。另外,CNTs还具有高的弹性模量(约1TPa),与钻石的弹性模量(1.2TPa)相近。小含量下,CNTs的强度是最强钢铁的10~100倍[1-4]。CNTs同时也具有很好的导电性,按照它们的结构不同,可分别呈现为金属和半导体[5]。聚合物/CNTs复合材料的潜在应用包括:航空航天以及汽车材料(高温、光、重量)、光开关、EMI屏蔽、光伏设备,包装(

5、电影、容器)、胶粘剂和涂料。然而,基于CNTs自身的物理缺陷(易团聚),必须对CNTs在聚合物基体中的分散性和取向进行优化。同时,大量的研究报道聚合物/CNTs纳米复合材料的某些性能有所增强,但是要使性能得到最高程度的改善,必须对CNTs在尼龙基体中的分散性与界面相容性进行改善。另外,CNTs的分散性很重要,因为CNTs在基体中的排列直接涉及到聚合物/CNTs的力学性能,功能性能(电磁性能、光学性能)。关于制备CNTs在基体中分散均匀的聚合物/CNTs复合材料,研究方法大致包括:原位聚合法[6-8]和一系列的力场方法(机械剪切[9,10]、电磁场[11-

6、13]);而我们的研究正是利用电场诱导纳米管排列均匀。最近,静电纺丝已成为一种理想的制备分散性良好的CNTs改性复合材料的方法[14-18]。这项技术涉及到应用高电压将聚合物溶液引入到注射器中,当电压达到一定的阈值,聚合物溶液便会克服表面张力以及从针尖顶端弹出的流体[19-20]。通过单轴拉伸形成聚合物射流,在沉积到收集器之前,纤维的直径从微米大小(针的内径)减少到纳米大小。这样形成的纳米复合材料有几个重要特征,例如具有较大的比表面面积(超细纤维的103倍),以及表面功能灵活性增加[21]。多数的的聚合物/CNTs复合材料都是通过静电纺丝制备,其中聚合物

7、也包括聚环氧乙烷(PEO)[17-22]、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)[23-24]、聚丙烯腈(PAN)[25-26]和热塑性的聚氨酯。Dror等通过静电纺丝制备了PEO/CNTs的复合纳米纤维,CNTs作为填料填充到聚合物基体,虽然能看到CNTs以不同角度分散在PEO中,但它们主要沿轴向对齐。Ko等将CNTs填充到聚合物纳米纤维中[27](PLA和PAN的共聚物),发现:复合材料的机械性能及熔点较纯的纳米纤维显著提高[28]。Salalha等制备PEO/CNTs复合纳米纤维,并发现:CNTs以直线和对齐形式嵌入到PEO中且分散性良好[22]。Sung等

8、合成CNTs/聚甲基丙烯酸甲酯复合纳米纤维膜,且研究发现CNTs以直线和对齐形式

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1、尼龙6/MWNT纳米纤维的形貌与力学性能MoncyV.Josea,BrianW.Steinertb,c,1,VinoyThomasa,2,DerrickR.Deana,*,MohamedA.Abdallaa,GaryPriced,GreggM.JanowskiaaDepartmentofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofAlabamaatBirmingham(UAB),15303rdAvenue,South,Birmingham,AL35294-4461,USAbDepartmentofPhysics,

2、RhodesCollege,Memphis,TN38112,USAcDepartmentofBiology,RhodesCollege,Memphis,TN38112,USAdUniversityofDaytonResearchInstitute,Dayton,OH45469,USAReceived19June2006;receivedinrevisedform8December2006;accepted11December2006Availableonline20December2006Abstract摘要尼龙6和表面改性后的多壁碳纳米管通过静电纺丝(

3、使用一根旋转的轴柄)处理,成功制备了分散均匀的尼龙6/碳纳米管复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热(DSC)、X-射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和动态力学分析(DMA)等仪器对纳米复合材料的形貌和性能进行了表征。DSC和XRD表明了复合材料中碳管的存在,且尼龙6从γ晶型转变为α和γ的复合晶型。TEM和WAXD分别用来表征碳纳米管和分子取向。在碳纳米管的添加量较低时(0.1和1.0wt%),尼龙6复合材料的储存模量显著的增加,尽管碳纤维管的浓度的相对较低。因此,经表面处理后,碳纳米管/尼龙6复合材料较尼龙6在结构和性能上均有所

4、增强。关键词:静电纺丝;尼龙6;改性碳纳米管1.导论在过去的五年期间,碳纳米管(CNTs)改性的复合材料受到了极大地关注。CNTs的直径只有几个纳米,而它的长度可达到几百个纳米;也就是说CNTs具有很高的长径比。另外,CNTs还具有高的弹性模量(约1TPa),与钻石的弹性模量(1.2TPa)相近。小含量下,CNTs的强度是最强钢铁的10~100倍[1-4]。CNTs同时也具有很好的导电性,按照它们的结构不同,可分别呈现为金属和半导体[5]。聚合物/CNTs复合材料的潜在应用包括:航空航天以及汽车材料(高温、光、重量)、光开关、EMI屏蔽、光伏设备,包装(

5、电影、容器)、胶粘剂和涂料。然而,基于CNTs自身的物理缺陷(易团聚),必须对CNTs在聚合物基体中的分散性和取向进行优化。同时,大量的研究报道聚合物/CNTs纳米复合材料的某些性能有所增强,但是要使性能得到最高程度的改善,必须对CNTs在尼龙基体中的分散性与界面相容性进行改善。另外,CNTs的分散性很重要,因为CNTs在基体中的排列直接涉及到聚合物/CNTs的力学性能,功能性能(电磁性能、光学性能)。关于制备CNTs在基体中分散均匀的聚合物/CNTs复合材料,研究方法大致包括:原位聚合法[6-8]和一系列的力场方法(机械剪切[9,10]、电磁场[11-

6、13]);而我们的研究正是利用电场诱导纳米管排列均匀。最近,静电纺丝已成为一种理想的制备分散性良好的CNTs改性复合材料的方法[14-18]。这项技术涉及到应用高电压将聚合物溶液引入到注射器中,当电压达到一定的阈值,聚合物溶液便会克服表面张力以及从针尖顶端弹出的流体[19-20]。通过单轴拉伸形成聚合物射流,在沉积到收集器之前,纤维的直径从微米大小(针的内径)减少到纳米大小。这样形成的纳米复合材料有几个重要特征,例如具有较大的比表面面积(超细纤维的103倍),以及表面功能灵活性增加[21]。多数的的聚合物/CNTs复合材料都是通过静电纺丝制备,其中聚合物

7、也包括聚环氧乙烷(PEO)[17-22]、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)[23-24]、聚丙烯腈(PAN)[25-26]和热塑性的聚氨酯。Dror等通过静电纺丝制备了PEO/CNTs的复合纳米纤维,CNTs作为填料填充到聚合物基体,虽然能看到CNTs以不同角度分散在PEO中,但它们主要沿轴向对齐。Ko等将CNTs填充到聚合物纳米纤维中[27](PLA和PAN的共聚物),发现:复合材料的机械性能及熔点较纯的纳米纤维显著提高[28]。Salalha等制备PEO/CNTs复合纳米纤维,并发现:CNTs以直线和对齐形式嵌入到PEO中且分散性良好[22]。Sung等

8、合成CNTs/聚甲基丙烯酸甲酯复合纳米纤维膜,且研究发现CNTs以直线和对齐形式

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