碳纳米管的功能化及其在复合材料中的应用(1)

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1、中文摘要碳纳米管（碳管，CNTs）具有优异的力学性能和化学稳定性，是复合材料的理想增强体，但是普通的碳管易团聚，与聚合物基体的界面结合力弱，限制了其在复合材料中的应用。为了改善碳管的分散性及其与聚合物基体的界面作用，我们制备了：一、轻度氧化和环氧树脂（EP）Epon828接枝的共价功能化碳管（记为CNT-COOH和CNT-Epon828）；二、聚苯乙炔（PPA）和聚间－亚苯亚乙烯衍生物（PmPV）包裹的非共价功能化碳管；三、基于上述两类功能化的混杂功能化碳管，随后研究了各功能化碳管在有机溶剂中的分散性。最后，制备出功能化碳管/EP复合材料，研究不同种类的功能化碳管以

2、及不同碳管添加量对复合材料力学性能的影响。主要结果如下：（1）实现碳管轻度氧化接枝的最佳实验条件是T=50℃，此时酸碱滴定得到碳管接枝的-COOH含量为0.001mol/g。TGA分析表明Epon828占CNT-Epon828的质量百分比约为22%。拉曼光谱对纯化CNTs，CNT-COOH，CNT-Epon828的分析表明，碳管通过氧化或环氧功能化后，有序度略有下降，缺陷则相对增加。本体聚合合成的PPA的结构为顺-反式结构。在30℃条件下真空干燥制得的PPA对碳管有良好的分散效果。（2）CNT-Epon828在甲苯、四氯化碳中有一定的分散性，纯化CNTs/PPA在在

3、四氢呋喃、氯仿、甲苯中有一定的分散性。CNT-COOH/PPA和纯化CNTs/PmPV在甲苯中的分散性相当，静置一个多月不沉降。其次，在甲苯中分散由好至差的是CNT-Epon828/PPA、CNT-COOH/PmPV、CNT-Epon828/PmPV、纯化CNTs/PPA、CNT-Epon828、CNT-COOH、纯化CNTs。其中纯化CNTs/PPA和CNT-Epon828在甲苯中的分散效果并不是很好，但是至少能保持30min不沉降。（3）和0.01wt%和1wt%的情况相比，碳管含量为0.1wt%时，碳管/EP复合材料的力学性能最好。添加了碳管的EP的拉伸强度和

4、弹性模量均比纯EP的高。和纯EP相比，CNT-Epon828/PPA/EP、纯化CNTs/PmPV/EP和CNT-Epon828/PmPV/EP的拉伸强度分别提高了24%、25%和22%，弹性模量分别增加了53%、49%和63%，伸长率增加了24%、21%和0%。和纯碳管/EP复合材料相比，拉伸强度分别增加了12%、12%和10%。可见，碳管经功能化处理以后，所制得的碳管聚合物复合材料的力学性能有明显的提高。关键词：碳纳米管；功能化；分散性；纳米复合材料；力学性能IAbstractCarbonnanotubes(CNTs)arepromisingreinforcem

5、entmaterialforstructuralpolymercompositesduetotheirextraordinarymechanicalpropertiesandchemicalstability.However,pristineCNTshavelimitedapplicationsinpolymercompositesbecausetheyarepronetoaggregateandtheirinterfacialinteractionsinpolymermatrixareratherweak.Inordertoimprovethedispersion

6、andinterfacialbehaviorofCNTsinpolymermatrix,wehaveproduced(a)slightlyoxidizedCNTs(CNT-COOH)andepoxyresin(EP)Epon828graftedCNTs(CNT-Epon828)bycovalentfunctionalizations;(b)CNTscoatedbypoly(phenylacetylene)(PPA)orpoly(m-phenylenevinylene-co-2,5-dioctoxy-p-phenylenevinylene)bynoncovalentf

7、unctionalizations;and(c)thehybridfunctionalizedCNTsbasedontheabove-mentionedcovalentandnoncovalentfunctionalizations.ThedispersionofthedifferentfunctionalizedCNTsinorganicsolventswasinvestigatedafterwards.FinallythefunctionalizedCNTs/epoxycompositeswereprepared;theinfluenceoftheschem