功能化碳纳米管增强尼龙6复合纤维的制备及表征

摘要

碳纳米管(CNTs)以其特有的高拉伸强度、高弹性、优异的导热、耐高温、光、电等物理性能，在未来高科技领域中具有许多潜在的应用价值。按照CNTs的固有性能，其应该是高分子基复合材料非常理想的增强填料。但由于CNTs在溶剂中不溶解，在大部分聚合物中也不容易分散，它的实际应用范围受到一定限制，其性能也不能充分展示出来。因此，采用多聚磷酸(PPA)/五氧化二磷(P2O5)弱酸体系，通过傅克反应(Friedel-Crafts reaction)对多壁碳纳米管(MWNTs)进行功能化改性，利用碳纳米管表面上所具有的功能性基团来提高CNTs与高聚物之间的相互作用力，这无疑会大幅度地提高复合材料的物理力学、热学等性能。
　　 本论文采用溶液共混法制备功能化碳纳米管(F-MWNTs)/尼龙6(PA6)复合材料，并进行熔融纺丝制备复合纤维。通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TG)、差示扫描量热分析(DSC)、动态热机械分析(DMA)及力学性能测试对复合纤维进行表征。结果表明，在MWNTs表面成功的接枝上了功能化基团，F-MWNTs均匀的分散在PA6基体中，没有发生团聚现象，并且与基体具有很好的界面作用。F-MWNTs的加入，对复合纤维的熔融温度(Tm)影响不大，结晶温度(Tc)和结晶度(Xc)有所提高，F-MWNTs的加入提高了复合纤维的热稳定性，纤维的储能模量和玻璃化温度得到提高，而力学性能测试表明，随着F-MWNTs的加入，复合纤维的断裂强度和杨氏模量增加，当F-MWNTs质量分数为0.5wt％时，断裂强度和杨氏模量达到最大，比纯PA6纤维分别提高了40％和200％。
　　 将不同质量分数的F-MWNTs加入己内酰胺中，原位聚合法制备F-MWNTs/PA6复合材料，并进行熔融纺丝制备复合纤维。采用傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、SEM、TG、DSC、DMA及力学性能测试对复合纤维进行表征。结果表明，F-MWNTs均匀的分散在PA6基体中，没有发生团聚现象，并且与基体具有很好的界面作用，F-MWNTs的加入，对复合纤维的Tm和Xc影响不大，Tc有所提高；F-MWNTs的加入明显的提高了复合纤维的热稳定性，复合纤维的储能模量有所提高，而玻璃化温度略有降低。随着F-MWNTs质量分数的增大，复合纤维的断裂强度和杨氏模量增加，当F-MWNTs质量分数为0.5wt％时，断裂强度和杨氏模量达到最大，比纯PA6纤维分别提高了45％和208％。