多壁碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备及性能研究

论文摘要

有关碳纳米管/环氧树脂的复合材料的研究已有了不少报道,也取得了一些研究成果,但关于碳纳米管在聚合物基体中的分散问题仍然没有得到真正的解决。采用适当的方法将碳纳米管以纳米尺度均匀的分散到环氧树脂中,是制备拥有优异综合性能复合材料的关键所在。本论文采用了三种不同的修饰方法对碳纳米管进行了表面修饰。经过修饰,在原始多壁碳纳米管（MWNTs）表面引入了大量活性基团,使碳纳米管的团聚现象有所减少,同时也提高了其在环氧树脂中的分散性能。采用溶液共混法制备了多壁碳纳米管/环氧树脂复合材料,研究了不同碳纳米管在环氧树脂中的分散性及其对复合材料性能的影响。通过混酸氧化、酰氯化和酰胺化得到了表面接枝四乙烯五胺（TEPA）的碳纳米管（MWNTs-TEPA）,测试结果表明接枝TEPA使碳纳米管的管间距增加,碳纳米管的团聚现象有所缓解。MWNTs-TEPA比MWNTs更能提高复合材料的拉伸强度、热性能和介电性能。当MWNTs-TEPA含量为1.5 wt%时,其拉伸强度和断裂伸长率与纯环氧树脂相比分别增加了84.3%和150%,玻璃化转变温度（Tg）提高了18.8 oC,介电常数由6.2增加到25.8,但介电损耗值仅和环氧树脂的相当。采用混酸氧化和酰胺化两步反应得到了在MWNTs表面接枝三乙烯四胺（TETA）的碳纳米管（MWNTs-TETA）,考察了不同碳纳米管对复合材料的拉伸性能、热性能和介电性能的影响。研究表明MWNTs-TETA比MWNTs能更好的提高复合材料的综合性能。当MWNTs-TETA含量为2.0 wt%时,材料的拉伸强度和断裂伸长率分别增加了105.68%和114.16%,Tg提高了21.55 oC,介电常数由6.2增加到27.6,介电损耗值几乎没有增加。采用化学氧化聚合法在MWNTs表面上包覆聚苯胺（PANI）,得到了PANI修饰的碳纳米管（MWNTs-PANI）,PANI包覆不仅降低了碳纳米管之间的π-π键的作用力,而且在MWNTs表面引入了大量氨基等活性基团,氨基能与环氧树脂发生开环反应增加了环氧树脂固化反应程度。研究表明MWNTs-PANI能较好的分散到基体中,并与环氧树脂产生了很好的界面结合作用。用MWNTs-PANI作为填料的复合材料具有更好的综合性能。当MWNTs-PANI含量为2.0 wt%时,材料的拉伸强度和断裂伸长率分别增加了71.49%和143.67%,Tg提高了26.07 oC,介电常数达到了47,增加了近7倍,介电损耗值仅略为增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管概述
• 1.2.1 碳纳米管的结构
• 1.2.2 碳纳米管的制备
• 1.2.2.1 化学气相沉积法
• 1.2.2.2 电弧放电法
• 1.2.2.3 激光蒸发法
• 1.2.2.4 其他制备方法
• 1.2.3 碳纳米管的性能特征与应用
• 1.3 碳纳米管的表面修饰方法
• 1.3.1 物理修饰方法
• 1.3.1.1 表面活性剂法
• 1.3.1.2 聚合物包覆法
• 1.3.2 化学修饰方法
• 1.3.2.1 表面化学修饰法
• 1.3.2.2 机械化学法
• 1.3.2.3 表面高能量修饰法
• 1.4 碳纳米管/聚合物复合材料
• 1.4.1 碳纳米管/聚合物复合材料研究进展
• 1.4.2 碳纳米管/聚合物复合材料制备方法
• 1.4.2.1 溶液共混法
• 1.4.2.2 熔融共混法
• 1.4.2.3 原位聚合法
• 1.5 碳纳米管/环氧树脂复合材料
• 1.5.1 环氧树脂简介
• 1.5.2 碳纳米管/环氧树脂复合材料研究进展
• 1.6 本论文的研究意义与内容
• 1.6.1 本论文的研究意义
• 1.6.2 本论文的研究内容
• 第二章 主要实验原料与表征方法
• 2.1 主要实验原料
• 2.2 主要实验仪器
• 2.3 材料的结构与性能表征
• 2.3.1 多壁碳纳米管的结构与性能表征
• 2.3.1.1 傅里叶变换红外光谱分析（FTIR）
• 2.3.1.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.1.3 X-射线衍射分析（XRD）
• 2.3.1.4 热重分析（TGA）
• 2.3.2 复合材料的结构与性能表征
• 2.3.2.1 差示扫描量热分析（DSC）
• 2.3.2.2 拉伸测试
• 2.3.2.3 阻抗分析
• 第三章 四乙烯五胺改性碳纳米管及复合材料的制备与性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 MWNTs-TEPA 的制备
• 3.2.2 复合材料的制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 多壁碳纳米管的表征与分析
• 3.3.1.1 多壁碳纳米管的SEM 分析
• 3.3.1.2 多壁碳纳米管的FTIR 分析
• 3.3.1.3 多壁碳纳米管的XRD 分析
• 3.3.1.4 多壁碳纳米管的热稳定性分析
• 3.3.2 复合材料的性能表征与分析
• 3.3.2.1 四乙烯五胺修饰碳纳米管对复合材料拉伸性能的影响
• 3.3.2.2 四乙烯五胺修饰碳纳米管对复合材料玻璃化转变温度的影响
• 3.3.2.3 四乙烯五胺修饰碳纳米管对复合材料介电性能的影响
• 3.3.2.4 四乙烯五胺修饰对碳纳米管在复合材料中分散性的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 三乙烯四胺改性碳纳米管及复合材料的制备与性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 MWNTs-TETA 的制备
• 4.2.2 复合材料的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 多壁碳纳米管的表征与分析
• 4.3.1.1 多壁碳纳米管的SEM 分析
• 4.3.1.2 多壁碳纳米管的FTIR 分析
• 4.3.1.3 多壁碳纳米管的XRD 分析
• 4.3.1.4 多壁碳纳米管的热稳定性分析
• 4.3.2 复合材料的性能表征与分析
• 4.3.2.1 三乙烯四胺修饰碳纳米管对复合材料拉伸性能的影响
• 4.3.2.2 三乙烯四胺修饰碳纳米管对复合材料玻璃化转变温度的影响
• 4.3.2.3 三乙烯四胺修饰碳纳米管对复合材料介电性能的影响
• 4.3.2.4 三乙烯四胺修饰对碳纳米管在复合材料中分散性的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 聚苯胺改性碳纳米管及复合材料的制备与性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 MWNTs-PANI 的制备
• 5.2.2 复合材料的制备
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 多壁碳纳米管的表征与分析
• 5.3.1.1 多壁碳纳米管的SEM 分析
• 5.3.1.2 多壁碳纳米管的FTIR 分析
• 5.3.1.3 多壁碳纳米管的XRD 分析
• 5.3.1.4 多壁碳纳米管的热稳定性分析
• 5.3.2 复合材料的性能表征与分析
• 5.3.2.1 聚苯胺修饰碳纳米管对复合材料拉伸性能的影响
• 5.3.2.2 聚苯胺修饰碳纳米管对复合材料玻璃化转变温度的影响
• 5.3.2.3 聚苯胺修饰碳纳米管对复合材料介电性能的影响
• 5.3.2.4 聚苯胺修饰对碳纳米管在复合材料中分散性的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表和撰写的论文