聚酯、聚酰胺功能化多壁碳纳米管的制备与性能研究

论文摘要

碳纳米管（CNTs）是化学和材料领域最伟大的发现之一。独特的结构使其在高性能复合材料、导体和半导体材料、能储材料和机电传感器等方面都有广泛的应用。然而CNTs与高聚物之间相容性比较差,制约着CNTs在聚合物增强材料方面的应用。早期的CNTs/高聚物杂化材料采用物理混合的方法制备,CNTs与高聚物之间相互作用力弱,CNTs极易从高聚物基体中“拨出”。近来,广泛采用溶液浇注、电纺丝和添加表面活性剂等方法制备CNTs/高聚物杂化材料,提高CNTs与高聚物之间的相互作用力,但实测结果距离理论值还相差较远,如在CNTs表面接枝聚合物分子链,再将其添加到聚合物中制成杂化材料,无疑会大幅度提高杂化材料的物理力学、电学等性能。本论文分别采用羧基多壁碳纳米管（MWNT-COOH）、羟基多壁碳纳米管（MWNT-OH）与己二酸、1,3-丙二醇作为单体,原位聚合法制备聚（己二酸-1,3-丙二醇酯）功能化羧基多壁碳纳米管（PHCNTs）和聚（己二酸-1,3-丙二醇酯）功能化羟基多壁碳纳米管（PHHCNTs）。采用红外光谱（FTIR）、透射电镜（TEM）、热重分析（TG）和差示扫描量热法（DSC）等方法进行结构与性能分析,并研究MWNTs、催化剂质量百分含量对产物非等温结晶性能的影响。结果表明,所合成的产物结构达到预期设计,聚酯分子接枝到MWNT-COOH、MWNT-OH表面,聚酯层平均厚度分别为3nm和2nm。随着MWNT-COOH、MWNT-OH质量百分含量的增加,表面聚酯链长度逐渐降低;Avrami方程可以准确地描述PHCNTs和PHHCNTs的非等温结晶过程。催化剂和冷却速率对PHCNTs和PHHCNTs结晶机理影响不大。通过霍夫曼降解反应制备氨基多壁碳纳米管（MWNT-NH2）,采用FTIR、TG、X射线光电子能谱仪（XPS）、拉曼光谱（Raman）等测试手段对MWNT-NH2以及反应过程中得到的两种中间产物酰氯基多壁碳纳米管（MWNT-COCl）和酰胺基多壁碳纳米管（MWNT-CONH2）的结构和性能进行分析。采用原位聚合法,将PA66盐分别与MWNT-COOH、MWNT-NH2聚合,制备PA66功能化羧基多壁碳纳米管（NFMWNT）和PA66功能化氨基多壁碳纳米管（NACNTs）。采用FTIR、TEM、XPS、TG、动态机械热分析（DMA）、DSC、X-射线衍射（XRD）等一系列测试手段以及溶解性实验对NFMWNT、NACNTs的结构和性能进行研究。结果表明,PA66与MWNT-COOH、MWNT-NH2发生接枝共聚反应,MWNT-COOH表面PA66层平均厚度为2 nm,MWNT-NH2表面PA66层平均厚度为2.5 nm。NFMWNT和NACNTs在甲酸中的溶解性提高。随着MWNT-COOH、MWNT-NH2质量百分含量的增加,接枝的PA66链的链长降低;NACNTs的起始分解温度和最大失重速率温度降低;NFMWNT和NACNTs的储能模量增加。NFMWNT的a1晶粒尺寸逐渐变大,NACNTs的a1晶粒尺寸逐渐变小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 碳纳米管的发现
• 1.2 碳纳米管的结构
• 1.3 碳纳米管的合成
• 1.3.1 电弧法
• 1.3.2 激光蒸发法
• 1.3.3 化学气相沉积法
• 1.4 碳纳米管的主要性能
• 1.4.1 电学性能
• 1.4.2 力学性能
• 1.4.3 热学性能
• 1.4.4 光学性能
• 1.4.5 高吸附性
• 1.4.6 拉曼活性
• 1.4.7 其他特性及应用
• 1.5 碳纳米管的表面改性
• 1.5.1 缺陷处表面改性
• 1.5.2 管内填充
• 1.5.3 共价键表面修饰
• 1.5.4 非共价功能化表面改性
• 1.6 聚合物对碳纳米管的表面改性
• 1.6.1 化学键合
• 1.6.2 表面引发
• 1.6.3 碳纳米管表面引发活性自由基聚合
• 1.7 碳纳米管/杂化材料的制备
• 1.7.1 溶液共混法
• 1.7.2 熔融共混法
• 1.7.3 原位聚合法
• 1.8 碳纳米管的潜在应用
• 1.8.1 碳纳米管增强杂化材料
• 1.8.2 电子材料及器件方面
• 1.8.3 磁电存储方面
• 1.8.4 医学方面
• 1.8.5 军事方面
• 1.8.6 储氢、储能材料
• 1.9 本文的选题意义及研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验仪器
• 2.3 MWNTs、MWNT-COOH和MWNT-OH结构与性能研究
• 2.4 聚己二酸-1,3-丙二醇酯功能化碳纳米管的制备及测试方法
• 2.4.1 聚己二酸-1,3-丙二醇酯功能化羧基多壁碳纳米管的制备
• 2.4.2 测试方法
• 2.4.3 聚己二酸-1,3-丙二醇酯功能化羟基多壁碳纳米管的制备
• 2.4.4 测试方法
• 2.5 氨基多壁碳纳米管的制备及测试方法
• 2.5.1 氨基多壁碳纳米管的制备
• 2.5.2 测试方法
• 2.6 PA66功能化多壁碳纳米管的制备及测试方法
• 2.6.1 PA66功能化羧基多壁碳纳米管的制备
• 2.6.2 测试方法
• 2.6.3 PA66功能化氨基多壁碳纳米管的制备
• 2.6.4 测试方法
• 第三章 聚（己二酸-1,3-丙二醇酯）功能化多壁碳纳米管结构与性能研究
• 3.1 多壁碳纳米管、羧基多壁碳纳米管和羟基多壁碳纳米管的结构分析
• 3.1.1 FTIR分析
• 3.1.2 形貌分析
• 3.1.3 热重分析
• 3.1.4 拉曼光谱分析
• 3.1.5 XPS分析
• 3.2 聚己二酸-1,3-丙二醇酯功能化羧基多壁碳纳米管结构与性能研究
• 3.2.1 基本原理
• 3.2.2 形貌分析
• 3.2.3 反应程度
• 3.2.4 FTIR分析
• 3.2.5 热重分析
• 3.2.6 催化剂对PHCNTs性能的影响
• 3.2.7 MWNT-COOH质量百分含量对PHCNTs非等温结晶动力学的影响
• 3.2.8 催化剂质量百分含量对PHCNTs非等温结晶动力学的影响
• 3.3 聚己二酸-1,3-丙二醇酯功能化羟基多壁碳纳米管结构与性能研究
• 3.3.1 基本原理
• 3.3.2 形貌分析
• 3.3.3 FTIR分析
• 3.3.4 热重分析
• 3.3.5 反应程度
• 3.3.6 催化剂对PHHCNTs性能的影响
• 3.3.7 MWNT-OH质量百分含量对PHHCNTs非等温结晶动力学的影响
• 3.3.8 催化剂质量百分含量对PHHCNTs非等温结晶动力学的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 PA66功能化碳纳米管结构与性能研究
• 4.1 PA66功能化羧基多壁碳纳米管结构与性能研究
• 4.1.1 形貌分析
• 4.1.2 FTIR分析
• 4.1.3 热重分析
• 4.1.4 动态热机械分析（DMA）
• 4.1.5 X-射线衍射分析
• 4.1.6 NFMWCN在甲酸中的溶解性实验
• 4.2 MWNT-COOH质量百分含量对NFMWCN非等温结晶动力学的影响
• 4.3 氨基多壁碳纳米管结构与性能研究
• 4.3.1 FTIR分析
• 4.3.2 拉曼光谱分析
• 4.3.3 热重分析
• 4.3.4 XPS分析
• 4.4 PA66功能化氨基多壁碳纳米管（NACNTs）结构与性能研究
• 4.4.1 FTIR分析
• 4.4.2 透射电镜（TEM）分析
• 4.4.3 XPS分析
• 4.4.4 热重分析
• 4.4.5 动态热机械分析
• 4.4.6 X-射线衍射分析
• 4.4.7 NACNTs在甲酸中的溶解性实验
• 2质量百分含量对NACNTs非等温结晶动力学的影响'>4.5 MWNT-NH₂质量百分含量对NACNTs非等温结晶动力学的影响
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢