等离子体微波辐射协同功能化CNTs及其EP纳米复合材料的制备与性能

摘要

碳纳米管(CNTs)由于其优异的力学、热学性能而广泛应用于改性聚合物材料。CNTs对聚合物不仅可以增强还能增韧,但CNTs在聚合物基体中不相容分散性较差,限制了它的应用。因此,碳纳米管的功能化改性得到人们的广泛关注。
　　 本文首先通过等离子体、微波协同功能化处理碳纳米管使其表面接枝聚马来酸酐(PMA),考察了Ar等离子体处理过程中真空度、等离子体处理时间、功率、压力、氧气通入时间与CNTs表面氧含量的关系；微波辐射CNTs接枝PMA过程中反应温度、功率、时间以及马来酸酐用量对接枝率的影响；并对比了微波辐射和热引发对CNTs表面接枝.PMA程度的影响。借助SEM、FT-IR、Raman等手段对CNTs形貌及结构进行了表征,通过XPS、TGA定量测试了PMA接枝率。结果表明,等离子体、微波辐射协同功能化处理获得了接枝率较高的功能化CNTs；功能化处理后未破坏CNTs结构；无论是微波引发接枝反应还是热引发接枝反应,接枝率都是随着反应时间的增加而增加,但增加程度不同；在同样的反应温度下,微波引发接枝反应只需要数十分钟就可以达到较为满意的接枝效果；而热引发接枝反应,常常需要几小时甚至十几个小时才能使PMA成功接枝到CNTs上；微波引发接枝反应所得的接枝率普遍优于热引发接枝反应的接枝率。随后,通过三乙烯四胺(TETA)对接枝有PMA的CNTs表面进一步修饰,得到胺功能化的碳纳米管A-PMA-CNTs。最后将A-PMA-CNTs与环氧树脂(EP)混合、固化、浇注成型后获得CNTs／EP纳米复合材料。对添加不同量的CNTs和A-PMA-CNTs制备的CNTs／EP纳米复合材料分别进行拉伸性能测试、冲击测试和热学性能测试。结果表明等离子微波协同功能化CNTs与EP形成纳米复合材料可显著提高EP的拉伸强度、断裂拉伸率、冲击强度。功能化的A-PMA-CNTs不仅可以起到增强剂的作用还具有增韧的功能；等离子微波协同功能化CNTs可以明显提高环氧树脂的耐热性；加入少量未功能化的CNTs,可在一定程度上提高环氧树脂玻璃化转变温度、增大环氧树脂机械强度、改善环氧树脂韧性,但效果明显差于等离子微波协同功能化CNTs对环氧树脂的改性作用；等离子体、微波辐射协同功能化的CNTs不仅提高了其与EP的相容性,而且还参与环氧树脂的固化反应,与环氧树脂形成化学键结合,从而改善了CNTS／EP的界面结合力。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 环氧树脂(EP)性能及其改性方法

1.1.1 结构改性

1.1.2 有机硅改性

1.1.3 橡胶改性

1.1.4 树脂改性

1.1.5 无机填料改性

1.2 CNTs功能化及其改性环氧树脂

1.2.1 CNTs的纯化

1.2.2 CNTs的修饰

1.2.3 CNTs的填充

1.2.4 CNTs改性环氧树脂

1.3 等离子体改性材料表面特性

1.3.1 低温等离子体及其反应条件的基本参数

1.3.2 低温等离子体表面处理

1.4 微波辐射在高分子领域中的应用

1.4.1 微波作用原理

1.4.2 微波辐射用于聚合反应

1.4.3 微波辐射用于热固性树脂固化

1.5 本论文的研究意义

1.6 本论文的研究内容

1.7 本论文特点与创新性

第2章 实验部分

2.1.原料

2.2 仪器设备

2.3 原料的纯化处理

2.4 CNTs功能化与EP纳米复合材料的制备

2.4.1 CNTs的等离子体富氧化

2.4.2 PMA接枝CNTs

2.4.3 A-PMA-CNTs的胺功能化

2.4.4 CNTs/环氧树脂纳米复合材料的制备

2.5 分析及表征

2.5.1 接枝PMA后CNTs表面元素组成及化学结构分析

2.5.2 PMA-CNTs接枝率的测定

2.5.3 接枝PMA前后CNTs形貌结构观察

2.5.4 复合材料的性能与结构表征

第3章 结果与讨论

3.1 CNTs纯化处理

3.2 Ar等离子体处理CNTs工艺条件的确定

3.2.1 等离子体真空度

3.2.2 等离子体处理时间

3.2.3 等离子体处理功率

3.2.4 等离子体辉光氩分压

3.2.5 通入氧气时间

3.3 o-CNTs表面微波辐射接枝PMA的可行性研究

3.3.1 o-CNTs表面微波辐射接枝PMA的结构表征

3.3.2 接枝PMA对CNTs本身结构的影响

3.4 微波反应条件对CNTs表面PMA接枝率的影响

3.4.1 微波反应功率对PMA在CNTs表面接枝情况的影响

3.4.2 微波反应温度与PMA在CNTs表面接枝程度的关系

3.4.3 微波反应时间与PMA在CNTs表面接枝程度的关系

3.4.4 马来酸酐用量对PMA-CNTs接枝率的影响

3.5 不同引发方式对PMA-CNTs接枝率的影响

3.6 PMA-CNTs的胺功能化

3.7 CNTs/环氧树脂纳米复合材料的制备及性能表征

3.7.1 CNTs/EP纳米复合材料的制备及固化工艺

3.7.2 CNTs/EP纳米复合材料的力学性能研究

3.7.3 CNTs/EP纳米复合材料的热学性能测试

3.7.4 CNTs/EP纳米复合材料的形貌分析

第4章 结论

致谢

参考文献

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