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1、第38卷第1期北京化工大学学报(自然科学版)Vo.l38,No.12011年JournalofBeijingUniversityofChemicalTechnology(NaturalScience)2011碳纳米管增强环氧树脂基复合材料的制备及其力学性能*张昊蔡佩芝赵东林沈曾民(北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室,北京100029)摘要:通过对多壁碳纳米管进行表面处理,用超声分散和模具浇注成型法制备了碳纳米管/环氧树脂纳米复合材料。研究了碳纳米管含量和表面处理对碳纳米管/环氧树脂复合材料力学性能和断面形貌的影响,分析了碳纳米管
2、对环氧树脂的增强机理。结果表明,随着碳纳米管含量的增加,碳纳米管/环氧树脂复合材料的拉伸强度和弯曲强度及模量先增加后减小;当碳纳米管的质量分数为015%时,复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量分别达到最大值6918MPa、13619MPa和3172GPa,比纯环氧树脂提高了3319%、2913%和418%;当碳纳米管的质量分数为115%时,拉伸模量达到最大值205015MPa,比纯环氧树脂提高了713%。关键词:碳纳米管;环氧树脂;复合材料;力学性能中图分类号:TB332脆,耐疲劳性、耐热性、抗冲击性都比较差,相应地限引言制了其广泛的
3、应用。利用性能优良的碳纳米管来作[1]碳纳米管自1991年被Iijima发现以来,以其为增强相对环氧树脂进行改性研究具有很高的现实[7-10]独特的力学性能、电学性能和磁学性能等在复合材意义。[2]料领域得到广泛的关注。Treacy等通过测试得到由于碳纳米管表面不活泼,在制备的碳纳米管/多壁碳纳米管的弹性模量可到1TPa,与金刚石的弹聚合物复合材料中与聚合物之间的界面作用力较性模量处于同一个数量级上。其强度大约是钢的弱,难以充分发挥碳纳米管优异的性能,因此,需要[3]100多倍,而密度却只有钢的六分之一;Wong等对其表面进行修饰。碳纳
4、米管的表面修饰方法主要研究了多壁碳纳米管的轴向力学性能,得到弹性模分为物理法和化学法两种,物理法不改变碳纳米管量大小为200~4000GPa,弯曲强度为14GPa,压缩的结构,主要采用表面活性剂或者聚合物来修饰碳强度为100GPa。碳纳米管还具有极高的抗形变能纳米管。化学法采用强氧化剂来修饰碳纳米管,在[4]力,在拉伸为18%时才会断裂;Iijima等研究了碳其表面接枝上某些官能团,改变碳纳米管在溶剂或纳米管的弯曲强度,通过实际测试和理论分析的对者聚合物基体中的分散性,同时碳纳米管表面的官比得到碳纳米管具有很好的韧性,最大的弯曲角度能团
5、还可以与聚合物基体之间有化学反应,生成强超过100b。所以碳纳米管被认为是一种理想的复的界面作用力,充分发挥碳纳米管的优异性能,采用合材料的增强体,有望被用来增强聚合物基体从而强酸处理可对碳纳米管进行切割,利用碳纳米管表[5-7]面的缺陷把其剪切变短,同时在碳纳米管上接枝一些提高其性能。[11-15]环氧树脂是一种理想的复合材料的基体,其应官能团,从而能够与其他聚合物发生化学反应。本文采用硝酸沸点回流法对碳纳米管进行表面用领域极其广泛。但是固化后的环氧树脂通常比较处理,在其表面接枝官能团,制备碳纳米管增强环氧收稿日期:2010-04-2
6、1树脂基复合材料,在低碳纳米管添加量条件下,起到基金项目:国家自然科学基金(50672004);国家/8630计划明显的增强效果,制备了力学性能优异的复合材料。(2008AA03Z513)第一作者:男,1973年生,硕士生1实验部分*通讯联系人111原材料E-mai:ldlzhao@mai.lbuct.edu.cn多壁碳纳米管(MWNTs),直径为40~60nm,深第1期张昊等:碳纳米管增强环氧树脂基复合材料的制备及其力学性能#63#圳纳米港有限公司;环氧树脂E-51(EP),蓝星新材法处理后碳纳米管的TEM照片,从图2可以看出碳料无锡
7、树脂厂;固化剂甲基四氢苯酐(MTHPA)、促纳米管的直径在40~60nm的范围内,且催化剂粒进剂2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚(DMP-30),北子已基本去除,碳纳米管被开口和切短。京化学试剂公司。112MWNTs/环氧树脂复合材料的制备首先对多壁碳纳米管进行表面处理,用硝酸沸点回流法对碳纳米管进行处理,在250mL的烧瓶中加入适量碳纳米管,然后加入100mL浓硝酸,在沸腾状态下冷凝回流5h,冷却后取出,过滤,并用去离子水冲洗至中性,60e烘干24h。将环氧树脂、固化剂和促进剂按照质量比为100B70B1的配比分别准确称量60、42
8、和016g混合图1MWNTs的电子扫描电镜照片后,放入数显恒温水浴仪中在60e条件下恒温加热Fig.1SEMimageofMWNTs5min,在加热过程中用玻璃棒不断搅拌溶液来增加溶液的流动性和均匀性。按以
