原位聚合法制备极低含量碳纳米管/PET纳米复合材料及碳纳米管网络结构对基体性能影响的研究

摘要

碳纳米管由于具有优异的力学、电学等综合性能，成为近年来聚合物纳米复合材料的研究重点。通过熔融、溶液或原位复合技术制备的聚合物碳纳米管纳米复合材料，能够以比常规填料低得多的含量实现复合材料力学、电学和热性能等的大幅度提升，在未来高技术领域的应用潜力十分巨大。 本研究首先针对碳纳米管难以分散，与聚合物基体相容性差的特点，采用两步法处理MWNT，实现了MWNT的纯化与功能化改性，改善了MWNT在反应单体中的分散。在此基础上，采用原位聚合法，用自制聚酯合成专用反应釜制备了极低含量(0.005～0.1wt％)碳纳米管/PET纳米复合材料。通过FT-IR、SEM、DSC、DMA、纤维强度测试等表征手段对碳纳米管的改性效果、碳纳米管在基体中形成的网络结构及其对基体结晶性能和力学性能的影响进行了研究。 两步法处理，在有效除去初始碳纳米管中各种杂质的同时，使碳纳米管管壁表面的功能化基团如--COOH和--OH显著增加，由于大量的有机基团与液体间形成了氢键，两步法处理的碳纳米管MWNT—COOH能够在H<,2>O和EG中长时间的以稳定的分散状态存在。 原位复合到PET基体中的MWNT—COOH分散良好，且形成了贯穿基体的网络结构，并随MWNT--COOH含量增加，网络结构变得更加密集、连续，与此同时，MWNT--COOH的分散状况变差。碳纳米管在PET基体中是良好的成核剂，在极低含量下，就可以显著提高PET的结晶温度，结合形成网络结构的作用，导致复合材料的熔融双峰相对强度随MWNT—COOH含量增加变化出现规律性变化。 甲醇酯化改性MWNT—COOH以及进一步的酯交换反应，经实验验证是可行的，但由于有机基团的包覆作用，碳纳米管的成核点大量减少，由于网络结构的生成，对结晶甚至产生阻碍作用。 以MWNT-COOH为填料制备的复合材料力学性能最好，且当其含量为0.05wt％时，基体的力学性能提高最显著，当含量超过此值时，由于MWNT—COOH在基体中分散效果变差，团聚的MWNT—COOH形成的缺陷导致基体的力学性能下降。 总之，利用原位聚合法成功制备了极低含量碳纳米管/PET纳内米复合材料，并且在此含量下实现了基体性能的显著改善，简单的制备手段，低用量导致的低成本，使这一复合方法，具有实现大规模工业化的潜力。

目录

声明

摘要

1.前言

1.1纳米复合材料

1.2 CNTs的发展

1.2.1 CNTs的形貌和结构

1.2.2碳纳米管的制备

1.2.3碳纳米管的性能

1.3聚合物基/碳纳米管纳米复合材料

1.3.1聚合物基纳米复合材料

1.3.2聚合物/碳纳米管体系

1.3.3 PET/碳纳米管复合材料研究状况

1.4本论文的研究思路和主要研究内容

1.4.1研究思路与内容

1.4.2本论文的特色及创新

2.PET/MWNT纳米复合材料的制备及性能表征

2.1原料

2.2复合材料的制备

2.2.1 CNTs的处理

2.2.2复合材料的合成

2.3性能表征

2.3.1本体粘度η

2.3.2 Fourier变换红外光谱(FT-IR)

2.3.3示差扫描量热(DSC)

2.3.4扫描电子显微镜(SEM)

2.3.5动态机械性能(DMA)

2.4 PET/MWNT复合材料的形态、结晶及力学性能

2.4.1 CNTs的处理效果

2.4.2 CNTs在基体中的分散

2.4.3 CNTs对基体结晶性能的影响

2.4.4 CNTs对基体力学性能的影响

2.5小结

3.PET/MWNT纳米复合材料纤维的制备与研究

3.1原料

3.2复合材料的制备

3.2.1 CNTs的处理

3.2.2复合材料的合成

3.2.3复合材料纤维的制备

3.3性能表征

3.3.1本体粘度η

3.3.2示差扫描量热(DSC)

3.3.3扫描电子显微镜(SEM)

3.3.4动态机械性能(DMA)

3.3.5纤维强力测试

3.4结果与讨论

3.4.1酯化改性碳纳米管

3.4.2 PET/MWNT-COOH纳米复合材料纤维的性能研究

3.5小结

4.结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表与待发表的论文

致谢