碳纳米管增强环氧树脂基复合材料的制备及其力学性能

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1、万方数据第38卷第1期2011燕北京化工大学学报(自然科学版)JournalofBeijingUniversityofChemicalTechnology(NaturalScience)V01．38．No．120ll碳纳米管增强环氧树脂基复合材料的制备及其力学性能张昊蔡佩芝赵东林。沈曾民(北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室，北京100029)摘要：通过对多壁碳纳米管进行表面处理，用超声分散和模具浇注成型法制备了碳纳米管／环氧树脂纳米复合材料。研究了碳纳米管含量和表面处理对碳纳米管／环氧树脂复合材料力学性能和断面形貌的影响，分析了碳纳米管对环氧树脂的增强机理

2、。结果表明，随着碳纳米管含量的增加，碳纳米管／环氧树脂复合材料的拉伸强度和弯曲强度及模量先增加后减小；当碳纳米管的质量分数为0．5％时，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量分别达到最大值69．8MPa、136．9MPa和3．72GPa，比纯环氧树脂提高了33．9％、29．3％和4．8％；当碳纳米管的质量分数为1．5％时，拉伸模量达到最大值2050．5MPa，比纯环氧树脂提高了7．3％。关键词：碳纳米管；环氧树脂；复合材料；力学性能中图分类号：TB332引言碳纳米管自1991年被Iijima⋯发现以来，以其独特的力学性能、电学性能和磁学性能等在复合材料领域得到广泛

3、的关注。Treaty等。21通过测试得到多壁碳纳米管的弹性模量可到1TPa，与金刚石的弹性模量处于同一个数量级上。其强度大约是钢的100多倍，而密度却只有钢的六分之一；Wong等口1研究了多壁碳纳米管的轴向力学性能，得到弹性模量大小为200—4000GPa，弯曲强度为14GPa，压缩强度为100GPa。碳纳米管还具有极高的抗形变能力，在拉伸为18％时才会断裂；Iijima等。41研究了碳纳米管的弯曲强度，通过实际测试和理论分析的对比得到碳纳米管具有很好的韧性，最大的弯曲角度超过100。。所以碳纳米管被认为是一种理想的复合材料的增强体，有望被用来增强聚合物基体从而提

4、高其性能¨。1。环氧树脂是一种理想的复合材料的基体，其应用领域极其广泛。但是固化后的环氧树脂通常比较收稿日期：2010一04—21基金项目：国家自然科学基金(50672004)；国家“863”计划(2008AA032513)第一作者：男，1973年生，硕士生·通讯联系人E．mail：dlzhao@mail．buet．edu．cn脆，耐疲劳性、耐热性、抗冲击性都比较差，相应地限制了其广泛的应用。利用性能优良的碳纳米管来作为增强相对环氧树脂进行改性研究具有很高的现实意义‘7。1引。由于碳纳米管表面不活泼，在制备的碳纳米管／聚合物复合材料中与聚合物之间的界面作用力较弱，

5、难以充分发挥碳纳米管优异的性能，因此，需要对其表面进行修饰。碳纳米管的表面修饰方法主要分为物理法和化学法两种，物理法不改变碳纳米管的结构，主要采用表面活性剂或者聚合物来修饰碳纳米管。化学法采用强氧化剂来修饰碳纳米管，在其表面接枝上某些官能团，改变碳纳米管在溶剂或者聚合物基体中的分散性，同时碳纳米管表面的官能团还可以与聚合物基体之间有化学反应，生成强的界面作用力，充分发挥碳纳米管的优异性能，采用强酸处理可对碳纳米管进行切割，利用碳纳米管表面的缺陷把其剪切变短，同时在碳纳米管上接枝一些官能团，从而能够与其他聚合物发生化学反应¨卜b]。本文采用硝酸沸点回流法对碳纳米管进

6、行表面处理，在其表面接枝官能团，制备碳纳米管增强环氧树脂基复合材料，在低碳纳米管添加量条件下，起到明显的增强效果，制备了力学性能优异的复合材料。1实验部分1．1原材料多壁碳纳米管(MWNTs)，直径为40—60nm，深万方数据第1期张吴等：碳纳米管增强环氧树脂基复合材料的制备及其力学性能圳纳米港有限公司；环氧树脂E一51(EP)，蓝星新材料无锡树脂厂；固化剂甲基四氢苯酐(MTHPA)、促进剂2，4，6一三(二甲胺基甲基)苯酚(DMP一30)，北京化学试剂公司。1．2MWNTs／环氧树脂复合材料的制备首先对多壁碳纳米管进行表面处理，用硝酸沸点回流法对碳纳米管进行处理

7、，在250mL的烧瓶中加入适量碳纳米管，然后加入100mL浓硝酸，在沸腾状态下冷凝回流5h，冷却后取出，过滤，并用去离子水冲洗至中性，60℃烘干24h。将环氧树脂、固化剂和促进剂按照质量比为100：70：l的配比分别准确称量60、42和0．6g混合后，放人数显恒温水浴仪中在60℃条件下恒温加热5rain，在加热过程中用玻璃棒不断搅拌溶液来增加溶液的流动性和均匀性。按以上混合溶液质量的0．5％、1％、1．5％和2％的比例，分别准确称量碳纳米管0．513、1．026、1．539和2．052g。将碳纳米管加入环氧树脂中，用玻璃棒搅拌后再用功率为600W超声波分散仪进行超

8、声处理4h