聚酰亚胺/碳基纳米复合材料的制备及其性能研究

摘要

碳是地球上最基本且含量最丰富的元素之一。碳材料是一种从零维到三维都可以稳定存在的物质。零维球状结构的纳米碳球，一维管状结构的碳纳米管和二维层状结构的石墨烯凭借其优异的热学，力学和摩擦学性能，已成为二十一世纪的研究热点。然而，对于这三种碳材料的系统研究很少。目前，大多数研究者认为纳米碳材料以填料的形式加入到聚合物基体中能够有效的改进聚合物性能。虽然聚酰亚胺是一种多方面都具有良好性能的聚合物材料，但是单一的聚酰亚胺的性能还未能满足在严苛环境下人们的要求，因此将纳米碳材料加入到聚酰亚胺基体中，成为一种提高聚酰亚胺性能的最有效的方法。
　　本研究以原位聚合的方法制备出了聚酰亚胺/碳球，聚酰亚胺/酸化的多壁碳纳米管和聚酰亚胺/氧化石墨烯三种纳米复合材料。对比研究了纳米碳球，酸化的多壁碳纳米管和氧化石墨烯三种增强体的加入对聚酰亚胺复合材料的拉伸性能，热学性能和在不同条件下的摩擦学性能的影响。其主要研究内容如下:
　　1)通过水热法制备出尺寸均一的纳米碳球，其表面上被引入许多羟基基团易与聚酰胺酸上的羧酸基团反应形成共价键，使得碳球在聚酰亚胺基体中的分散性被提高。考察了聚酰亚胺/碳球纳米复合材料的摩擦学性能，发现碳球的加入能够有效的提高聚酰亚胺的耐磨性。与干摩擦相比，聚酰亚胺/碳球纳米复合材料在海水条件下具有较低的摩擦系数，但有较高的磨损率。同时，与纯的聚酰亚胺相比，聚酰亚胺/碳球纳米复合材料具有更优异的拉伸性和较差的热稳定性。
　　2)通过混酸法对多壁碳纳米管表面进行有机功能化处理，有利于酸化的多壁碳纳米管与聚酰胺酸上的胺基基团反应形成共价键，解决了酸化的多壁碳纳米管在聚酰亚胺基体中的分散问题。此外，聚酰亚胺/酸化的多壁碳纳米管纳米复合材料也展现出较好的拉伸性、热稳定性和摩擦学性能，且明显优于聚酰亚胺/碳球纳米复合材料。由于酸化的多壁碳纳米管的加入，使得聚酰亚胺的耐磨性得到明显的提高。聚酰亚胺/酸化的多壁碳纳米管纳米复合材料在海水下的摩擦系数和磨损率都是要低于干摩擦下的情况。
　　3)由于氧化石墨烯上的羧基和羟基基团易与聚酰胺酸上的胺基基团和羧酸基团反应形成共价键，因而通过Hummer's法制备出的含有多种含氧官能团的氧化石墨烯在聚酰亚胺基体中的分散性被明显提高。实验结果表明添加氧化石墨烯能够提高复合材料的拉伸性，同时有效的改善聚酰亚胺的热稳定性。聚酰亚胺/氧化石墨烯纳米复合材料的拉伸性能和热学性能要优于聚酰亚胺/酸化的多壁碳纳米管纳米复合材料。此外，氧化石墨烯的加入能够有效的提高聚酰亚胺的耐磨性。由于海水良好的润滑作用，聚酰亚胺/氧化石墨烯纳米复合材料在海水下的摩擦系数和磨损率是要低于干摩擦下的情况。与碳纳米管和碳球相比，片层结构的氧化石墨烯增强的聚酰亚胺复合材料在海水条件下的耐磨减摩效果更佳。这是因为片层结构的石墨烯加入到聚酰亚胺基体后，由于石墨烯的阻隔作用，阻碍海水或者离子对聚合物基体的渗透和腐蚀，从而提高了聚酰亚胺复合材料在海水中的摩擦磨损性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 纳米碳球的概述

1．2．1 纳米碳球的结构和性质

1．2．2 纳米碳球的制备方法

1．2．3 纳米碳球／聚合物复合材料

1．3 碳纳米管的概述

1．3．1 碳纳米管的结构和性质

1．3．2 碳纳米管的制备方法

1．3．3 碳纳米管／聚合物复合材料

1．4 石墨烯的概述

1．4．1 石墨烯的结构和性质

1．4．2 石墨烯的制备方法

1．5 氧化石墨烯的概述

1．5．1 氧化石墨烯的结构和性质

1．5．2 氧化石墨烯的制备方法

1．5．3 氧化石墨烯／聚合物复合材料

1．6 聚酰亚胺的概述

1．6．1 聚酰亚胺的结构和性质

1．6．2 聚酰亚胺的制备方法

1．6．3 聚酰亚胺纳米复合材料

1．7 本论文研究的主要目的和内容

1．7．1 本论文研究的主要目的及意义

1．7．2 本论文研究的主要内容

第二章 聚酰亚胺／碳球纳米复合材料的制备及其性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器

2．2．3 纳米碳球的制备

2．2．4 聚酰亚胺／碳球纳米复合薄膜的制备

2．2．5 表征方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 碳球的形貌分析

2．3．2 傅里叶变换红外光谱分析

2．3．3 X射线衍射分析

2．3．4 力学性能分析

2．3．5 电子显微分析

2．3．6 热性能分析

2．3．7 摩擦学性能分析

2．4 本章小结

第三章 聚酰亚胺／酸化的多壁碳纳米管纳米复合材料的制备及其性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验仪器

3．2．3 多壁碳纳米管的酸化处理

3．2．4 聚酰亚胺／酸化的多壁碳纳米管纳米复合薄膜的制备

3．2．5 表征方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 MWCNTs-COOH的形貌分析

3．3．2 傅里叶变换红外光谱分析

3．3．3 X射线衍射分析

3．3．4 力学性能分析

3．3．5 电子显微分析

3．3．6 热性能分析

3．3．7 摩擦学性能分析

3．4 本章小结

第四章 聚酰亚胺／氧化石墨烯纳米复合材料的制备及其性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验仪器

4．2．3 氧化石墨烯的制备

4．2．4 聚酰亚胺／氧化石墨烯纳米复合薄膜的制备

4．2．5 表征方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 GO的形虢分析

4．3．2 傅里叶变换红外光谱分析

4．3．3 X射线衍射分析

4．3．4 力学性能分析

4．3．5 电子显微分析

4．3．6 热性能分析

4．3．7 摩擦学性能分析

4．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

研究生期间发表的学术论文及其他科研成果