碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的研究

论文摘要

聚丙烯腈（PAN）是碳纤维的主要原料,具有极其优良的性能,但其力学性能很不理想,且其导电率极低,相当于绝缘体。碳纳米管（CNTs）非凡的力学性能及优异的电学性能使其成为理想的聚合物材料的改性体。本研究所做的工作就是将CNTs添加至PAN基体中,从而来改善PAN材料的力学性能及电学性能。采用混酸处理多壁碳纳米管（MWNTs）,并重点考察了最佳酸化时间,利用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）,X-射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对酸化的MWNTs进行表征,结果表明混酸能够有效地除去粗MWNTs试样中的杂质且为其引入了-COOH和-OH等活性基团,可实现在极性溶剂N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中长期均匀分散。采用水相悬浮聚合法合成PAN粉末。通过溶液共混的方式将酸化的MWNTs添加到PAN基体中制备出不同掺比的MWNTs/PAN复合材料薄膜,然后分别采用XRD、FT-IR、SEM、高阻计、拉力机和动态力学分析仪（DMA）等仪器进行表征,结果表明酸化处理后的MWNTs与PAN基体间有一定的界面作用,MWNTs在PAN基体中分散均匀；MWNTs的添加使得复合材料的电学性能得到改善,力学性能得到增强。其中,MWNTs含量为20 wt t%时各项性能达到最佳值。材料的电阻率随着MWNTs含量的增加而减小,测得该复合材料的渗流阈值位于5-10 wt %之间。对比纯PAN材料,复合材料的最大拉伸强度提高了63%,断裂伸长率下降了50%,电阻率减小了接近10个数量级。在一定的MWNTs含量的范围内,复合材料的储能模量,损耗模量和玻璃化温度都随着MWNTs含量的增加而渐次升高。

论文目录

• 中文摘要
• 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
• 1.1.2 碳纳米管的性能与应用
• 1.2 碳纳米管/聚合物基复合材料的研究
• 1.2.1 碳纳米管的纯化处理
• 1.2.2 碳纳米管在聚合物树脂中的分散方法
• 1.2.3 碳纳米管在聚合物树脂中的应用
• 1.3 聚丙烯腈的研究概况
• 1.3.1 聚丙烯腈的结构
• 1.3.2 聚丙烯腈的性质与应用
• 1.3.3 优质的聚丙烯腈制备方法归纳
• 1.4. 立题依据及研究内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验主要仪器及试剂
• 2.1.1 实验主要仪器设备
• 2.1.2 实验主要试剂
• 2.2 实验主要装置图
• 2.3 实验操作步骤
• 2.3.1 试剂的纯化
• 2.3.2 多壁碳纳米管的酸化处理
• 2.3.3 聚丙烯腈的合成
• 2.3.4 聚丙烯腈薄膜的制备
• 2.3.5 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料薄膜的制备
• 2.4 表征方法及原理
• 2.4.1 多壁碳纳米管的XRD检测
• 2.4.2 多壁碳纳米管的FTIR检测
• 2.4.3 多壁碳纳米管的SEM检测
• 2.4.4 酸化处理前后的多壁碳纳米管在溶剂中的分散性
• 2.5 复合材料的结构与性能表征
• 2.5.1 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料薄膜的断面形貌
• 2.5.2 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的FTIR检测
• 2.5.3 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的XRD检测
• 2.5.4 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的电学性能测试
• 2.5.5 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的力学性能测试
• 2.5.6 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的动态力学性能测试
• 第3章 结果与讨论
• 3.1 多壁碳纳米管的表征
• 3.1.1 酸化处理后的多壁碳纳米管的XRD谱图分析
• 3.1.2 酸化处理后的多壁碳纳米管的FTIR谱图分析
• 3.1.3 酸化处理前后多壁碳纳米管的SEM形貌分析
• 3.1.4 多壁碳纳米管在溶剂中的分散性
• 3.2 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的结构分析
• 3.2.1 聚丙烯腈薄膜断面形貌的SEM观察
• 3.2.2 多壁碳纳米管在聚丙烯腈基体中的分散状态
• 3.2.3 多壁碳纳米管、聚丙烯腈及复合材料的XRD谱图分析
• 3.2.4 多壁碳纳米管、聚丙烯腈及复合材料的FTIR谱图分析
• 3.3 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的电学性能
• 3.3.1 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的体积电阻率
• 3.3.2 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的表面电阻率
• 3.4 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的力学性能
• 3.4.1 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的拉伸强度
• 3.4.2 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的断裂伸长率
• 3.5 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的动态力学性能
• 3.5.1 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的储能模量
• 3.5.2 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的损耗模量
• 3.5.3 多壁碳纳米管/聚丙烯腈复合材料的玻璃化温度
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所发表的论文