原位聚合法制备聚酰亚胺/碳纳米管复合膜及其性能研究

论文摘要

聚合物/碳纳米管（CNTs）复合材料由于其优异的性能被广大科研工作者广泛关注。碳纳米管与聚合物的复合可以实现组元材料的优势互补或加强。CNTs在高聚物中分散性好坏对复合材料性能至关重要,可以通过各种方法改性CNTs或采用先进的复合技术来提高其在高聚物基体中的分散性。本文选用超声混酸处理和胺处理两种方法改性处理原始多壁碳纳米管（MWCNTs-p）,用红外光谱（FTIR）、光电子能谱仪（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）等手段研究改性前后MWCNTs的物理化学变化。分析结果表明,混酸处理得到的碳纳米管（MWCNTs-Ac）表面接枝有大量-OH、-COOH等含氧官能团,胺处理后得到的碳纳米管（MWCNTs-Am）表面成功地接枝有-NH2官能团。处理后,MWCNTs被打断,长度显著变短,外径减少但管壁结构仍然保持完好。处理后的MWCNTs在极性溶剂水、二甲基乙酰胺（DMAc）中有良好的分散性。研究了一步法和两步法合成聚醚酰亚胺（PEI）,综合考虑各因素,选取二步法为最佳合成方法;以Flynn-Wall-Ozawa方法求解热力学参数,计算出PEI膜的热降解活化能E为159.689kJ/mol ,指前因子A为3.3487×1010min-1,反应级数n为2.62。采用原位聚合法制备不同类型碳纳米管（MWCNTs-p、MWCNTs-Ac和MWCNTs-Am）和PEI的复合膜。用红外光谱（FTIR）、示差量热扫描仪（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）和拉伸强度测试等手段研究三种复合膜的形态结构与性能。分析结果表明,MWCNTs-p与基体亲和性差且大量团聚,MWCNTs-Ac与MWCNTs-Am在基体PEI中的分散均匀,在PEI基体中良好的分散性和亲和性使得复合膜的玻璃化转变温度（Tg）和拉伸强度均增加。但随着添加量的增加,出现部分团聚现象致使膜性能有下降的趋势。添加量为0.5%的PEI/MWCNTs-Am复合膜具有最佳的力学性能。气体分离性能的研究结果表明加入MWCNTs后复合膜还能保持PEI膜优异的气体分离性能和抗CO2塑化性能,其力学性能的提高可以使气体分离膜在更苛刻的条件下使用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 碳纳米管与聚醚酰亚胺（PEI）概述
• 1.2.1 碳纳米管及其性能
• 1.2.2 PEI 简介
• 1.3 聚合物/碳纳米管复合材料
• 1.3.1 聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法
• 1.3.2 聚合物/碳纳米管复合材料的性能
• 1.4 碳纳米管及聚合物/碳纳米管复合材料的研究状况
• 1.4.1 碳纳米管改性研究现状
• 1.4.2 聚合物/碳纳米管复合材料研究现状
• 1.5 课题来源和主要研究内容
• 第2章 实验内容与方法
• 2.1 实验原料及方法
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 主要实验仪器
• 2.2 MWCNTs 的改性处理
• 2.2.1 酸处理MWCNTs
• 2.2.2 胺处理MWCNTs
• 2.2.3 MWCNTs 分散性实验
• 2.3 PEI 的合成与膜的制备
• 2.3.1 一步法合成PEI
• 2.3.2 二步法合成PEI
• 2.4 PEI/MWCNTs 复合膜的原位制备
• 2.5 产物的分析表征及性能测试
• 2.5.1 MWCNTs 的分析表征
• 2.5.2 膜的性能测试
• 第3章 MWCNTs 的改性研究
• 3.1 MWCNTs 改性前后物理化学结构分析
• 3.1.1 红外分析
• 3.1.2 热失重分析
• 3.1.3 光电子能谱分析
• 3.1.4 拉曼光谱分析
• 3.1.5 X-射线衍射光谱分析
• 3.1.6 扫描电镜及原子力显微镜分析
• 3.2 MWCNTs 在溶剂中的分散性
• 3.3 本章小节
• 第4章 PEI 合成工艺与热分解反应动力学研究
• 4.1 PEI 合成方法确定
• 4.1.1 一步法和两步法合成PEI
• 4.1.2 合成PEI 方法选择
• 4.2 PEI 热分解动力学研究
• 4.2.1 理论基础
• 4.2.2 Flynn-Wall-Ozawa 法求解热力学参数
• 4.2.3 Flynn-Wall-Ozawa 法求解活化能
• 4.2.4 指前因子及反应级数的求解
• 4.3 本章小结
• 第5章 PEI/MWCNTs 复合膜的结构与性能研究
• 5.1 红外表征
• 5.2 扫描电镜分析
• 5.3 玻璃化转变温度分析
• 5.4 耐热性能分析
• 5.5 力学性能分析
• 5.6 气体分离性能分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢