多壁纳米碳管/环氧树脂复合材料结构与性能的研究

摘要

本文主要从分散和界面结合的角度出发研究了多壁纳米碳管(MWNTs)与聚合物的复合,通过对复合材料微结构和力学性能的表征,分析了碳管在聚合物中的作用机理. 对MWNTs进行酸碱处理和胺功能化,采用FTIR、FEM和Raman等方法表征了不同方法处理对MWNTs形态和结构的影响.结果表明,在温和的反应条件下,酸处理(V<,H2SO4>/V<,HNO3>=3:1)可使无定型碳和催化剂等杂质去除,并且在不损坏碳管结构的基础上使MWNTs表面产生羧基.酸处理的碳管经进一步酰胺化反应可在表面接枝三乙烯四胺,实现碳管的胺功能化.碱处理(V<,H2SO4>/V<,HNO3>=1:1)比酸处理使碳管分散性更好,结构破坏性更小,并且在其表面接上-NH2基,但催化剂杂质不能完全去除. 采用溶液混合法制备了MWNTs/环氧树脂复合材料.力学性能测试发现,加入0.1wt﹪的碳管时复合材料的弯曲强度比纯环氧树脂低.当碳管含量达到0.5wt﹪时,碳管对环氧树脂的增强作用开始体现出来,其中碱处理的MWNTs由于在环氧基体中分散性好,并且与基体界面结合好,其增强作用最为显著,可使环氧树脂的弯曲强度提高26﹪,玻璃化转变温度提高19.5℃.表面活性剂有助于碳管在环氧基体中的分散,加入1.5wt﹪表面活性剂分散的多壁纳米碳管(s-MWNTs)可使复合材料的弯曲强度达到最大值,但由于界面结合不好,其增强效果不显著.热性能测试发现,碳管的加入对环氧树脂高温热稳定性影响较小. 通过超声分散的方法MWNTs在1.0wt﹪的表面活性剂水溶液中可获得高稳定性高浓度(5mg/ml)的悬浮液,然后与聚合物PVA水溶液混合,蒸发掉水分,可制得MWNTS均匀分散的复合材料.测试复合材料的拉伸性能发现,s-MWNTS的加入可使:PVA的拉伸模量和拉伸屈服强度得到显著的提高,其中加入5wt﹪的s-MWNTs可使复合材料的拉伸模量提高140﹪,拉伸屈服强度提高64.5﹪.DSC结果分析发现复合材料的结晶度比纯.PVA要低,因此,力学性能的改善是由于碳管在PVA基体中具有良好的分散性引起的,而不是PVA结晶度的增大.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1纳米碳管简介

1.1.1纳米碳管的结构

1.1.2纳米碳管的性能

1.1.3纳米碳管的制备

1.1.4纳米碳管的应用

1.2纳米碳管的表面改性

1.2.1物理法

1.2.2化学法

1.3纳米碳管/聚合物复合材料

1.3.1纳米碳管/热固性聚合物复合材料

1.3.2纳米碳管/热塑性聚合物复合材料

1.3.3纳米碳管与聚合物复合的方法

1.4纳米碳管/环氧树脂复合材料

1.4.1环氧树脂介绍

1.4.2纳米碳管/环氧树脂复合材料研究现状

1.4.3纳米碳管/环氧树脂复合材料研究存在的主要问题

1.5课题的提出和研究内容

1.5.1课题的提出

1.5.2研究内容

第二章多壁纳米碳管的表面处理

2.1实验部分

2.1.1原料

2.1.2MWNTs的表面处理

2.1.3表征方法

2.2结果与讨论

2.2.1 MWNTs红外光谱分析

2.2.2 MWNTs的透射电镜分析

2.2.2 MWNTs的拉曼光谱分析

2.3本章小结

第三章多壁纳米碳管/环氧树脂复合材料的制备及力学性能研究

3.1实验部分

3.1.1原料

3.1.2 MWNTs/环氧树脂复合材料的制备

3.1.3表征方法

3.2结果与讨论

3.2.1MWNTs/环氧树脂复合材料的微结构分析

3.2.2MWNTs/环氧树脂复合材料的弯曲性能分析

3.2.3MWNTs/环氧树脂复合材料的动态力学性能分析

3.2.4MWNTs/环氧树脂复合材料的热稳定性分析

3.3本章小结

第四章表面活性剂分散的多壁纳米碳管/聚乙烯醇复合材料微结构及力学性能研究

4.1实验部分

4.1.1原料

4.1.2样品制备

4.1.3样品表征

4.2结果与讨论

4.2.1MWNTs在水溶液中的分散性

4.2.2 s-MWNTs/PVA复合材料微结构的表征

4.2.3 s-MWNTs/PVA复合材料的力学性能测试

4.3本章小结

第五章总结与建议

参考文献

硕士期间发表和投稿的论文

致谢