碳纳米管的表面修饰及其对环氧树脂热性能的影响

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1、碳纳米管的表面修饰及其对环氧树脂热性能的影响CNTs由于其独特的结构、优异的力学性能以及光、电、热等功能特性，已在许多领域应用中获得重大突破，同时也在许多高科技领域表现出更多潜在优势，成为纳米科学研究中的一个新热点。EP具有优异的综合性能，将CNTs与EP复合可进一步得到高性能的复合材料，扩大EP的应用范围，但需要解决几个突出问题，如CNTs在EP中难分散易团聚；CNTs与EP之间相容性较差；如何在复合材料中获得优异的界面性能等。解决上述问题最常用的方法是对CNTs进行表面改性，如采用氧化法在CNTs的表面引入羧基、羟基等官能团使其分散性得到很好的改善。李兆敏等对多壁碳纳米管(MWCNTs)

2、进行表面化学修饰接入羧基、胺基等官能团后，使制备的EP复合材料综合性能有很大的提高。陈宪宏等发现MWCNTs表面成功接枝一定数量的酰胺基团后，对EP具有很好的增韧效果。采用偶联剂对纳米粒子进行表面处理也是解决上述问题的一个有效途径，目前对CNTs进行偶联剂处理的研究很少。对CNTs成功进行偶联剂朴理的关键在于首先在其表面引入羟基基团，也即对cNTs实现羟基化。目前研究表明CNTs羟基化的方-按主要有混酸(如硝酸/硫酸)法、羧基还原法、氢氧化钠水热法以及Fenton试剂法等，其中前两种方法都会使CNTs出现过度氧化而产生性能下降的现象，还原法具有工艺复杂、成本较高的缺点；水热法虽然能有效引入羟

3、基且不发生过氧化现象，但对设备要求较高；Fenton试剂是由硫酸亚铁(FeSO4)和双氧水(H2O2)按不同比例组合而成的氧化剂，具有很强的氧化性，常用于污水处理，最近有研究发现其用于CNTs的表面氧化具有较多优势，如工艺简单、成本较低，且可以通过控制试剂的组成选择性地得到羟基化或羧基化的CNTs。含有不同有机官能团的偶联剂对改善CNTs与EP之间的界面性能都是有效的，由于EP中含有缩水甘油官能团，显然选用缩水甘油氧丙基硅烷偶联剂更为合适。本文首先采用Fenton试剂在CNTs表面引入羟基，然后再用KH560对CNTs作进一步的表面修饰，并制备了不用种类的EP/CNTs复合材料，考察了CNT

4、s的分散性能、表面性质以及CNTs对EP的热稳定性能和Tg的影响。1实验部分1.1主要原料MWCNTs，直径40-60nm，长度3-15μm，纯度大于90%，成都有机化学所；EP，E828，无锡树脂厂；硅烷偶联剂，KH560，南京曙光化工集团有限公司；丙酮、四乙烯五胺、硝酸、FeSO4和H2O2，分析纯，广东光华化学厂有限公司。1.2主要设备及仪器超声波清洗仪，SK250H，上海科导超声仪器有限公司；扫描电子显微镜，JSM2840，日本JEOL公司；红外光谱仪，Tensor27，德国BRUKER公司；差热扫描量热仪，Phoenix204，德国NETZSCH公司；热失重分析仪，RSZ，北京天平

5、仪器厂。1.3试样制备CNTs的表面修饰：第一步纯化，取一定量原始CNTs，加入一定量的稀硝酸，超声分散2h后，40℃搅拌浸泡6h，然后抽滤，蒸馏水洗涤至中性，最后将样品置于120℃干燥12h；第二步Fenton试剂处理，将纯化后的CNTs分别用两种Fenton试剂(H2O2与FeSO4物质的量比为5：1和10：1)在pH＝3、室温下超声处理2h，并继续反应8h，抽滤，蒸馏水洗涤至中性，最后将样品置于120℃干燥12h；第三步硅烷偶联剂处理，用KH560分别与上述不同方法处理CNTs按质量比为1：1混合，在95%乙醇中辅以超声波反应2h，而后在60℃恒温反应6h，抽滤，用丙酮洗去没有反应的K

6、H560，最后样品置于80℃真空干燥12h。不同工艺处理的CNTs见表1。表1不同工艺处理的CNTsTab.1CNTstreatedbydifferentprocessingmethods样品处理方法CNT-0未处理CNT-NA稀硝酸CNT-NA-C稀硝酸十KH560CNT-F5Fenton试剂(H2O2/FeSO4=5/1)CNT-F5-CFenton试剂(H2O2/FeSO4＝5/1)+KH560CNT-F10Fenton试剂(H2O2/FeSO4=10/1)CNT-F10-CFenton试剂(H2O2/FeSO4=10/1)+KH560复合材料的制备：将EP、丙酮、CNTs按照质量比1

7、00/100/2.5在烧瓶中混合，在室温下利用超声波分散处理2h，在常压下蒸发去掉丙酮，采用减压蒸馏进一步除掉残留的丙酮和材料中的气泡，加入固化剂四乙烯五胺(EP质量的17%)，真空中条件下充分搅拌后浇注到一定形状的模具中，常温固化12h，再在80℃下固化4h后制得复合材料。1.4性能测试与结构表征将CNTs借助超声波处理分散在丙酮中，取少量悬浊液滴在样品台上，待丙酮挥发后在烘箱内干燥一定时间后用SEM观察C