多壁碳纳米管/丙烯酸酯导电复合材料研究

摘要

纳米材料是指颗粒尺寸在纳米量级(1～100nm)的超细材料,它的尺寸大于原子簇而小于通常的微粉,处在原子簇和宏观物质交界的过渡区域。由于纳米材料的结构尺寸在纳米量级，物质的量子尺寸效应和表面效应等方面对材料性能有重要影响。碳纳米管是由碳原子中sp2杂化为主,混合有sp3杂化所构筑成的理想结构。碳纳米管可看成是片状石墨烯卷成的圆筒,因此它具有石墨优良的本征特性,如耐热、耐腐蚀、耐冲击、传热和导电性好、强度高等一系列综合性能。而且碳纳米管特有的螺旋、管状结构,还使其有不同寻常的电磁吸波性能。利用碳纳米管独特的光电学性能，还可以制备新型的碳纳米管／聚合物光电材料。由于碳纳米管具有非常好的性能,其尺寸又处于纳米级,因而具有很好的应用前景,被誉为本世纪材料革命的引发剂。在1997年年末,美国政府科技局将其列入最具代表的百项高科技发展研究项目。 本课题采用无机-高分子纳米复合技术路线，研制多壁碳纳米管/丙烯酸酯类聚合物纳米复合材料。本课题研究的目的是对多壁碳纳米管纳米粒子进行表面改性处理及自组装，使MWNTs/PMMA纳米复合材料的性质能得到良好的改性，并总结出对纳米复合材料电性能有良好作用的表面改性剂的类型及规律。 本文第一部分对导电高分子材料的导电机理和导电影响因素、纳米复合材料的制备方法、碳纳米管的结构特征及自组装原理等进行了综述说明。 本文第二部分通过实验，研究了改性剂的种类、超声时间等对多壁碳纳米管纳米粒子的分散效果的影响。确定了改性纳米粒子的最佳条件。十八醇对MWNTs的分散效果最好。并用扫描电镜、傅立叶变换红外光谱仪、差热-热重分析仪、透射电镜等对进行改性处理后的纳米粒子进行了表征。成功的对纳米粉体的表面进行了改性处理，为下一步制备多壁碳纳米管/PMMA纳米复合材料打下了基础。 本文第三部分研究了MWNTs/PMMA纳米复合材料的导电性能及力学性能等。MWNTs体积百分含量从15％增加到40％，电阻从2050KΩ减小到38.68KΩ。通过正交实验表确定了制备MWNTs/PMMA纳米复合材料的最佳实验因素。综合第二部分的实验结果确定了改性剂种类对纳米复合材料性能的影响。使用改性剂十八醇后，30vol％的电阻由38.92KΩ减小到3.8KΩ左右。并用SEM对改性前后的MWNTs/PMMA纳米复合材料的表面形貌进行了表征。 本文第四部分研究了MWNTs/丙烯酸酯纳米复合涂料的导电特性。确定了对碳纳米管粉体进行超声、表面改性处理后，涂料的导电性能能得到有效的改善。十八醇的效果最好。通过实验制备了经过十八醇表面改性处理的导电涂料，对涂料的各项性能进行测试，漆膜的附着力为2级，耐冲击性大于50kg*cm，柔韧性为1mm，硬度0.27，性能良好。 本文第五部分对多壁碳纳米管进行了开口和填充包覆研究，通过TEM观察了经过开口及填充后的碳纳米管的形貌特点。通过FT-IR确定了碳纳米管表面基团经过自组装后的变化。通过SEM观察了组装后的纳米复合材料的形貌等。