超声辅助尼龙6/功能化碳纳米管复合材料的制备及性能研究

摘要

为了制备性能优异的尼龙6/碳纳米管复合材料，本论文将碳纳米管表面改性和超声辅助相结合，采用熔融挤出法制备尼龙6/碳纳米管复合材料，主要研究了超声振动对尼龙6基体性能的影响，碳纳米管表面改性对尼龙6性能的影响以及超声振动对复合材料性能等的影响。具体研究结果如下：
　　使用混酸和甲苯二异氰酸酯(TDI)对碳纳米管进行表面改性，通过FT-IR，SEM等进行表征。结果表明：羧基和异氰酸根成功接枝到碳纳米管表面，羧基化改性的碳纳米管形成了致密的结构，TDI改性后结构重新变得蓬松。
　　超声振动对尼龙6基体性能的影响：引入超声外场后，尼龙6的结晶度提高，热力学稳定的α晶型所占比例提高；特性粘度和粘均分子量降低，熔体粘度降低；力学性能基本保持不变。
　　超声振动对尼龙6/碳纳米管复合材料断面形貌的影响：（1）TDI改性的碳纳米管在尼龙6中分散的很均匀，因为TDI改性碳纳米管一方面结构蓬松，另一方面增强了与尼龙6基体的界面作用力。（2）施加超声波作用后，碳纳米管分散程度进一步提高。
　　超声振动对尼龙6/碳纳米管复合材料拉伸性能的影响：（1）加入未改性碳纳米管后，尼龙6的拉伸强度降低，这是因为未改性碳纳米管与尼龙6基体的相容性差；加入功能化碳纳米管后，随碳纳米管含量的增加，复合材料的拉伸强度先增大后减小，说明改性碳纳米管与尼龙6基体的界面粘接力增强，但由于接枝率有限，当含量过高时仍然会因为团聚导致复合材料材料产生缺陷；加入碳纳米管后，复合材料的拉伸模量提高。（2）施加超声波作用后，复合材料的拉伸强度和拉伸模量均有一定给程度的提高，说明超声外场可以改善碳纳米管在尼龙6基体中的分散程度，增大碳纳米管与尼龙6基体的接触面积和界面粘结强度。
　　超声振动对尼龙6/碳纳米管复合材料的动态力学性能（DMA）的影响：（1）加入碳纳米管后，尼龙6的储能模量（E'）和玻璃化转变温度（Tg）均提高，但提高程度受碳纳米管含量和碳纳米管改性方法的影响，当碳纳米管含量为0.5wt％时，复合材料储能模量大小关系为：尼龙6/TDI改性碳纳米管>尼龙6/羧基化碳纳米管>尼龙6/未改性碳纳米管。（2）施加超声波作用后，复合材料的储能模量进一步增大，说明超声振动可以增强碳纳米管与尼龙6基体的相容性，提高两者的界面作用力。
　　超声振动对尼龙6/碳纳米管复合材料结晶性能的影响（XRD分析）：（1）加入碳纳米管后，尼龙6的γ晶型衍射峰消失，α晶型衍射峰强度增大，结晶度增大，说明碳纳米管的加入有助于热力学稳定的α晶型的生长，促进热力学亚稳定的γ晶向α晶转变；（2）引入超声外场后，尼龙6/未改性碳纳米管复合材料的结晶度提高，而尼龙6/改性碳纳米管复合材料的结晶度降低，这是因为超声振动一方面可以使碳纳米管的团聚体尺寸减小，促进碳纳米管在尼龙6基体中的分散，使更多的碳管充当异相成核剂而提高结晶度，另一方面超声分散作用和断链反应可以提高了碳纳米管与尼龙6基体的接触面积和界面粘结力，未改性碳纳米管与尼龙6基体的相容性差，施加超声振动后，碳纳米管的异相成核效应起主导地位，结晶度提高；而改性后碳纳米管表面接枝的官能团提高了与尼龙6有较强的界面作用力，对尼龙6分子链的限制作用起主导地位，结晶度降低。
　　超声振动对尼龙6/碳纳米管复合材料结晶性能的影响（DSC分析）：（1）加入碳纳米管后，尼龙6中较低温度对应的γ晶型熔融峰消失，熔融双峰变为熔融单峰，结晶温度和结晶度提高，这与XRD分析一致。（2）引入超声振动后，尼龙6/未改性碳纳米管复合材料的结晶度提高，而尼龙6/改性碳纳米管复合材料的结晶度降低，这与XRD分析一致。

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第一章 绪论

1.1前言

1.2尼龙6的性能与应用

1.3碳纳米管的结构性能及表面改性

1.4尼龙/碳纳米管共混改性研究进展

1.5超声波在聚合物中的应用研究

1.6本课题的研究意义及研究内容

第二章 碳纳米管的表面改性

2.1 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 超声外场对尼龙6性能的影响

3.1 实验部分

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 超声外场对尼龙6/未改性碳纳米管复合材料性能的影响

4.1 实验部分

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 超声外场对尼龙6/功能化碳纳米管复合材料性能的影响

5.1 实验部分

5.2 结果与讨论

5.4 本章小结

6. 结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢