碳纳米管的功能化及其在聚合物中的应用

论文摘要

本文的主要目的之一,是根据所选择的聚合物基体PET、PP-MA的分子结构及其分子链含有极性官能团的特性,研究一种解决碳纳米管在极性基体中团聚的表面化学改性方法。实验中,采用酸化及接枝马来酸酐的方法来功能化碳纳米管,并通过FT-IR、SEM及TEM等检测手段对产物微观结构进行表征。研究结果表明:强酸对碳纳米管有两种作用;其一,对碳纳米管进行切短;其二,使碳纳米管表面引入羟基和羧基,为后续反应提供了活性点。最后,马来酸酐被成功接枝于碳纳米管表面,且通过比较可以发现,马来酸酐接枝后的碳纳米管在有机溶剂二甲苯中的分散稳定性更好,有利于其在后续工作中的进一步应用。另外,经马来酸酐接枝后,碳纳米管在PET基体中能够均匀分散,与极性基体PET的亲和性及界面结合力也有一定程度的提高。通过熔融共混法制备了PET/f-MWCNTs复合材料,详细研究了f-MWCNTs对PET微观结构和结晶行为的影响。SEM结果表明,f-MWCNTs在PET基体中分散均匀,且与PET基体有很好的界面结合力。通过DSC对复合材料非等温结晶及熔融行为进行了研究,采用Jeziorny和Mo方法对复合材料非等温结晶动力学进行了详细讨论,结果表明碳纳米管的加入对PET的结晶行为有显著影响:f-MWCNTs对PET基体有强烈的异相成核作用,提高了PET的成核速率,含量仅为0.1wt%的功能化碳纳米管便能大幅使PET晶体细化,成核密度增加,结晶更加完善。为了进一步研究f-SWCNTs对聚合物微观结构的影响,并进一步解释界面相互作用力在聚合物纳米复合材料的微观结构中所起的作用,本论文设计了一组多元纳米复合材料体系,即通过选择有一定极性的PP-MA、有机改性的OMMT、功能化的f-SWCNTs制备出多元纳米复合材料。结合XRD、SEM、DSC及PLM来研究了功能化碳纳米管对PP-MA/OMMT纳米复合材料微观结构的影响。研究表明:功能化单壁碳纳米管加入,使OMMT在PP-MA基体中由剥离结构向插层结构转变,且OMMT在复合材料的分散情况也受到一定影响。这种微观结构的的变化归结于PP-MA与f-SWCNTs的相互作用力强于于PP-MA与OMMT的相互作用力。在熔融加工过程中,f-SWCNTs一方面阻止PP-MA分子链段进入OMMT层间;同时在降温过程中,f-SWCNTs可能促使部分已进入OMMT层间的PP-MA分子链段从OMMT层间迁移出来。从而导致了三元纳米复合材料中OMMT层间距的急剧减小。DSC及PLM的结果同样在一定程度上证明:PP-MA/OMMT/f-SWCNTs复合材料中,f-SWCNTs对PP-MA/OMMT纳米复合材料的微观结构起决定性的作用。进一步利用f-MWCNT表面的极性官能团,制备了PP/PET/f-MWCNTs原位微纤化复合材料,通过DSC及SEM研究了f-MWCNTs在PP/PET/f-MWCNTs原位微纤化复合材料中的选择性分散。进一步证明了f-MWCNTs主要分散于PET微纤中,从而增大了PET的粘度,改变了PET与PP的粘度比,使PET形变困难,PET成纤性变差。因此,在PP/PET/f-MWCNTs微纤化复合材料中,部分PET以椭球形粒子形态存在,且随着碳纳米管含量的增大,这种椭球形粒子逐渐增多,并演变为球形粒子,令PET微纤的长径比变小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 碳纳米管的结构与性能
• 1.1.1 碳纳米管的结构
• 1.1.2 碳纳米管的性能
• 1.1.2.1 力学性能
• 1.1.2.2 电磁性能
• 1.1.2.3 热学性能
• 1.1.2.4 光学性质
• 1.2 碳纳米管的制备
• 1.2.1 石墨电弧法
• 1.2.2 化学气相沉积法
• 1.2.3 激光蒸发法
• 1.3 碳纳米管的改性
• 1.3.1 碳纳米管的物理改性
• 1.3.1.1 聚合物包裹法
• 1.3.1.2 表面活性剂修饰
• 1.3.2 碳纳米管的化学改性
• 1.3.2.1 端部和缺陷处功能化
• 1.3.2.2 侧壁功能化
• 1.4 碳纳米管在聚合物中的应用
• 1.4.1 聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法
• 1.4.1.1 共混法
• 1.4.1.2 原位复合法
• 1.4.1.3 溶胶—凝胶法
• 1.4.2 表面改性的碳纳米管填充改性聚合物
• 1.4.3 聚合物/碳纳米管复合材料的制备存在的问题
• 1.5 本论文的研究思路和主要研究内容
• 第2章 碳纳米管的功能化
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要原料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 功能化碳纳米管的制备
• 2.2.3.1 碳纳米管的酸化处理
• 2.2.3.2 碳纳米管接枝马来酸酐
• 2.2.4 试样的分析与表征
• 2.2.4.1 傅立叶变换红外分析（FT-IR）
• 2.2.4.2 扫描电镜分析（SEM）
• 2.2.4.3 透射电镜观察（TEM）
• 2.2.4.4 分散性观察
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 改性碳纳米管的官能团分析
• 2.3.2 多壁碳纳米管处理前后的形貌观察
• 2.3.3 碳纳米管的分散性
• 2.4 本章小结
• 第3章 PET/f-MWCNTs复合材料的非等温结晶及熔融行为
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要原料
• 3.2.2 PET/f-MWCNTs复合材料的制备
• 3.2.3 分析表征
• 3.2.3.1 扫描电镜观察（SEM）
• 3.2.3.2 差示扫描量热分析（DSC）
• 3.2.3.3 偏光显微镜（PLM）
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 f-MWCNTs在PET中的分散情况
• 3.3.2 f-MWCNTs对PET结晶及熔融行为的影响
• 3.3.2.1 Avrami和Jeziorny法
• 3.3.2.2 Mo法
• 3.4 本章小结
• 第4章 功能化碳纳米管诱导PP-MA/OMMT复合材料微观结构的变化
• 4.1 引言
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验原料
• 4.1.2 实验设备
• 4.1.3 复合材料的制备
• 4.1.4 复合材料结构表征
• 4.1.4.1 WAXD
• 4.1.4.2 SEM
• 4.1.4.3 DSC
• 4.1.4.4 PLM
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 蒙脱土在PP-MA中的分散情况
• 4.2.2 复合材料的结晶性能
• 4.2.2.1 非等温结晶行为
• 4.2.2.2 等温结晶动力学
• 4.2.2.3 复合材料的球晶形貌
• 4.2.3 界面相互作用力对纳米复合材料微观结构的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 PP/PET/f-MWCNTs原位微纤复合材料的制备与表征
• 5.1 引言
• 5.1.1 热塑性聚合物原位微纤化机理
• 5.1.2 热塑性聚合物原位微纤化的影响因素
• 5.1.2.1 相容性
• 5.1.2.2 拉伸作用
• 5.1.2.3 组成比
• 5.1.2.4 粘度比
• 5.1.2.5 加工温度
• 5.1.3 三元微纤化体系
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 实验设备
• 5.2.3 PET/f-MWCNTs共混物的制备
• 5.2.4 PP/PET/f-MWCNT原位微纤化复合材料的制备
• 5.2.5 分析与表征
• 5.2.5.1 DSC
• 5.2.5.2 SEM
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1.复合材料的形态结构
• 5.3.2 复合材料的非等温结晶及熔融行为
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表或待发表的学术论文
• 致谢