多壁碳纳米管的表面改性及其与环氧树脂复合研究

论文摘要

多壁碳纳米管（MWCNTs）独特的结构特点赋予了其优异的性能,自发现以来倍受研究者的关注,有望成为先进复合材料的理想增强体。然而,原始MWCNTs一方面因其易缠绕、团聚,使其在聚合物基体中难以分散均匀,另一方面,因表面呈化学惰性,使其难以与基体材料形成强的界面结合力,从而限制了其应用范围。功能化是解决这两个问题的有效途径,现已成为近年来的研究热点。本研究在对MWCNTs进行氧化的基础上,利用硅烷偶联剂对其进行进一步功能化处理,选择环氧树脂（Ep）作为基体材料,功能化后的MWCNTs为增强体,采用溶液共混法制备了碳纳米管/环氧树脂纳米复合材料,研究了MWCNTs对复合材料力学、热性能以及电性能的影响。首先,通过采用三种氧化体系（H2SO4/H2O2, H2SO4/K2Cr2O7, H2SO4/HNO3）对原始MWCNTs进行氧化处理的比较,发现采用H2SO4/ HNO3体系所获得的产物的综合效果最佳,MWCNTs的管状结构未见明显破坏。在此基础上,采用硅烷偶联剂对其进行表面改性,采用红外光谱、拉曼光谱、热失重、Zeta电位激光粒度分析仪、场发射扫描电镜、能量散射谱分析仪以及透射电镜对表面改性的样品进行了表征,研究结果显示氧化MWCNTs表面接上硅烷分子,氧化MWCNTs与改性后MWCNTs样品均能在水相中形成稳定的分散。其次,采用溶液共混法制备了MWCNTs/Ep（AG80）基复合材料,考察改性后MWCNTs不同含量对复合材料力学性能、热学性能以及导电性能的影响,研究结果表明,与未处理碳管相比功能化MWCNTs在AG80基体树脂中分散效果和界面作用得到显著增强,复合材料的力学性能和导电性显著提高,并保持较好的热稳定性;当添加量达到0.75wt%时综合力学性能最佳。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管
• 1.2.1 碳纳米管的发现
• 1.2.2 碳纳米管的结构
• 1.2.3 碳纳米管的制备
• 1.2.4 碳纳米管的性能
• 1.2.5 碳纳米管的表面改性及应用
• 1.3 环氧树脂
• 1.3.1 环氧树脂概况
• 1.3.2 环氧树脂性能特点
• 1.3.3 环氧树脂基复合材料的应用
• 1.4 多壁碳纳米管/环氧树脂基复合材料的研究
• 1.4.1 MWCNTs/Ep 复合材料的制备方法
• 1.4.2 MWCNTs/Ep 复合材料的性能
• 1.4.3 MWCNTs/Ep 复合材料存在问题及发展方向
• 1.5 本课题选题背景和主要研究内容
• 第2章 试样的制备与性能测试及表征
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 原材料
• 2.1.2 仪器
• 2.1.3 试样的制备
• 2.2 试样性能测试及表征
• 2.2.1 羧基浓度的测定
• 2.2.2 FT-IR 测试
• 2.2.3 Raman 光谱测试
• 2.2.4 TG-DSC 测试
• 2.2.5 高分辨透射（TEM）电镜观察
• 2.2.6 场发射扫描电镜（SEM）观察
• 2.2.7 能谱测试
• 2.2.8 Zeta 电位及有效粒径测试
• 2.2.9 分散性表征
• 2.2.10 复合材料的性能测试
• 第3章 多壁碳纳米管的氧化处理对比研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 设备、仪器及表征方法
• 3.2.2 试样制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 氧化MWCNTs 的红外光谱
• 3.3.2 氧化MWCNTs 的拉曼光谱
• 3.3.3 氧化MWCNTs 的形貌
• 3.3.4 氧化MWCNTs 的热重
• 3.3.5 氧化MWCNTs 表面的羧基、羟基含量
• 3.3.6 氧化MWCNTs 的分散稳定性
• 3.4 小结
• 第4章 硅烷偶联剂改性MWCNTs 的研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 设备、仪器及表征方法
• 4.2.2 硅烷偶联剂改性MWCNTs
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 Si-MWCNTs 的红外光谱
• 4.3.2 Si-MWCNTs 的能谱
• 4.3.3 Si-MWCNTs 的热失重
• 4.3.4 Si-MWCNTs 的分散稳定性
• 4.3.5 Si-MWCNTs 的形貌
• 4.4 小结
• 第5章 多壁碳纳米管/环氧树脂基复合材料的研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 设备、仪器及表征方法
• 5.2.2 MWCNTs/Ep 复合材料的制备
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 MWCNTs 在复合材料中的分散效果
• 5.3.2 Si-MWCNTs 含量对复合材料冲击性能的影响
• 5.3.3 Si-MWCNTs 含量对复合材料拉伸性能的影响
• 5.3.4 Si-MWCNTs 含量对复合材料弯曲性能的影响
• 5.3.5 Si-MWCNTs 增强增韧机理分析
• 5.3.6 Si-MWCNTs 对复合材料热性能的影响
• 5.3.7 Si-MWCNTs 对复合材料电性能的影响
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢