多壁碳纳米管功能化及其与聚苯乙烯复合研究

论文摘要

碳纳米管具有独特的结构及优异的性能,然而其难分散于一般有机溶剂和聚合物基体,从而限制了其应用范围。本论文以多壁碳纳米管为原料,首先讨论了不同化学法对碳管的纯化以及羧基化的影响;在羧基化碳管基础上,制备了苯乙烯基和聚苯乙烯接枝的多壁碳纳米管;最后采用前面制备的功能化碳纳米管与聚苯乙烯共混制备了三种碳纳米管/聚苯乙烯复合材料,比较了三种复合材料的力学、热学性能。研究具有前瞻性,具有广泛的应用前景。（1）比较了不同化学方法对多壁碳纳米管表面羧基功能化的影响。结果表明,经过不同的化学方法处理后,碳管都保持其原有的管状结构;在相同检测条件下,双氧水/混酸氧化多壁碳纳米管红外图谱羧基特征峰最明显,Zeta电位值达到最小值,有效粒径最低,在水中分散性最好。（2）采用酯化法将MWCNTs-COOH与苄氯苯乙烯反应制备了Styryl-modified MWCNTs。结果表明,苯乙烯基团以共价键接枝到MWCNTs表面,TGA结果显示其接枝率高达36%。Raman和TEM结果显示酯化反应后CNTs的结构没有明显的破坏。分散性试验结果说明Styryl-modified MWCNTs能溶于THF、甲苯等一般有机溶剂。（3）以Styryl-modified MWCNTs为原料制备了PS-g-MWCNTs。结果表明,聚苯乙烯以共价键接枝到多壁碳纳米管表面。TEM结果显示在碳管表面包覆了一层8～13nm厚的聚苯乙烯层。TGA结果显示碳纳米管上聚苯乙烯的接枝率约为70%。（4）采用溶液共混法制备了MWCNTs-COOH/PS复合材料、Styryl-modified MWCNTs/PS复合材料以及PS-g-MWCNTs/PS复合材料,考察了不同功能化多壁碳纳米管以及不同碳管含量对复合材料的力学、热学性能的影响。结果显示,随着碳纳米管含量的增加,复合材料的力学性能以及热学性能几乎都提高（MWCNTs-COOH/PS复合材料是先升高后降低） ;在相同碳管含量时,PS-g-MWCNTs/PS复合材料的力学性能、热学性能提高最大;对碳管进行苯乙烯基改性后,与PS共混制备的复合材料的力学、热学性能都明显高于MWCNTs-COOH/PS复合材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 碳纳米管的概述
• 1.1.1 碳纳米管的结构与性能
• 1.1.2 碳纳米管修饰研究进展
• 1.2 碳纳米管/聚合物复合材料的研究进展
• 1.2.1 碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法
• 1.2.2 碳纳米管在聚合物材料中的应用
• 1.2.3 制备碳纳米管/聚合物基复合材料中存在的问题
• 1.3 本课题研究的意义、目的及内容
• 第2章 试样的制备与性能测试及表征
• 2.1 实验
• 2.1.1 原料及仪器
• 2.1.2 试样的制备
• 2.2 试样性能测试及表征
• 2.2.1 红外光谱测试
• 2.2.2 拉曼光谱测试
• 2.2.3 紫外-可见分析
• 2.2.4 透射电镜观察
• 2.2.5 扫描电镜观察
• 2.2.6 DSC 测试
• 2.2.7 热失重测试
• 2.2.8 Zeta 电位及有效粒径测试
• 2.2.9 复合材料的拉伸测试
• 2.2.10 复合材料的冲击性能测试
• 第3章 化学处理法对多壁碳纳米管的影响研究
• 3.1 前言
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 红外光谱
• 3.2.2 透射电镜
• 3.2.3 Zeta 电位分析
• 3.2.4 粒径分析
• 3.2.5 分散性表征
• 3.3 小结
• 第4章 酯化法制备苯乙烯基功能化碳纳米管的研究
• 4.1 前言
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 红外光谱
• 4.2.2 拉曼光谱分析
• 4.2.3 UV-Vis 光谱分析
• 4.2.4 透射电镜表征
• 4.2.5 热失重分析
• 4.2.6 分散性表征
• 4.3 小结
• 第5章 聚苯乙烯修饰多壁碳纳米管的制备及表征
• 5.1 前言
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 红外光谱分析
• 5.2.2 扫描电镜观察
• 5.2.3 透射电镜观察
• 5.2.4 DSC 分析
• 5.2.5 热失重分析
• 5.2.6 分散性表征
• 5.3 小结
• 第6章 碳纳米管/聚苯乙烯复合材料的性能研究
• 6.1 前言
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 MWCNTs/PS 复合材料的力学性能
• 6.2.2 MWCNTs/PS 复合材料热性能研究
• 6.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢