碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备及其物理性能研究

论文摘要

环氧树脂作为一种常见的工业原料,以其多方面的优异性能被广泛的应用于化工行业的各个领域,但是由于其含有大量的环氧基团,固化时交联密度大,因此性脆、冲击性差,耐热性较低,而且导电性能尤其差。碳纳米管自从发现以来,以其优异的力学性能、电学性能、热学性能等被应用在聚合物包括环氧树脂的改性中。本文以碳纳米管和环氧树脂为原料,制备了一种新型的、具有优异的力学性能、导电性能、耐热性能的复合材料,并对该复合材料内部导通网络的形成进行理论计算和预测。本课题通过碳纳米管改性环氧树脂/双马来酰亚胺(BMI)共混体系提高了该复合材料的力学性能、耐热性以及导电性能。并以二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)和碳纳米管为原料,合成了一种新型的碳纳米管/ MDI复合材料。具体步骤为:首先用氧化性酸对多壁碳纳米管进行酸化改性,使其表面带有羧基;然后在无水的条件下将酸化的多壁碳纳米管和二苯基甲烷二异氰酸酯进行反应。然后根据有机酸与环氧基团的反应原理,将酸化的碳纳米管在一定条件下和环氧树脂进行反应。最后将上述两种反应的物质混合制备共价改性多壁碳纳米管/环氧树脂复合材料。通过多种导通网络模型计算环氧树脂/碳纳米管复合体系中导通网络形成的渗阈值和碳纳米管的含量关系,再和实验结果相对比。此外,本文还讨论了该复合材料的力学性能、热性能、电性能及微观形貌的分析,研究了碳纳米管含量、羧基丁腈橡胶(CTBN)含量以及各类改性工艺对该复合材料各项性能的影响。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管
• 1.2.1 碳纳米管的制备
• 1.2.2 碳纳米管的结构
• 1.2.3 碳纳米管的性能
• 1.2.4 碳纳米管改性方法
• 1.2.5 碳纳米管的应用
• 1.3 碳纳米管/聚合物复合材料的研究与应用
• 1.3.1 碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法
• 1.3.2 碳纳米管/聚合物复合材料的性质
• 1.3.3 碳纳米管/聚合物复合材料的应用
• 1.4 环氧树脂的种类和应用
• 1.4.1 环氧树脂的定义及分类
• 1.4.2 环氧树脂的基本性能
• 1.4.3 环氧树脂的固化反应和环氧基的反应
• 1.5 碳纳米管/环氧树脂复合材料
• 1.6 课题研究内容
• 第二章 碳纳米管改性环氧树脂/双马来酰亚胺共混体系
• 2.1 引言
• 2.2 实验试剂与仪器
• 2.2.1 实验仪器
• 2.2.2 药品名称
• 2.3 实验步骤
• 2.3.1 固化实验
• 2.3.2 力学性能测试
• 2.3.3 热性能分析
• 2.3.4 微观形貌测试
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 力学性能测试
• 2.4.2 热性能
• 2.4.3 微观形貌测试
• 2.5 本章小结
• 第三章 共价改性碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备和固化性能的研究
• 3.1 实验试剂与仪器
• 3.1.1 实验仪器
• 3.1.2 药品名称
• 3.2 实验原理
• 3.2.1 二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）和碳纳米管的接枝反应
• 3.2.2 环氧树脂和酸化碳纳米管的反应
• 3.3 实验步骤
• 3.3.1 多壁碳纳米管的酸化
• 3.3.2 无水N, N-二甲基甲酰胺（DMF）的制备
• 3.3.3 MDI 接枝碳纳米管
• 3.3.4 碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备
• 3.3.5 固化实验及工艺
• 3.4 表征和测试
• 3.4.1 傅立叶红外FT-IR
• 3.4.2 力学性能测试
• 3.4.3 热性能分析
• 3.4.4 微观形貌测试
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 傅立叶红外FT-IR
• 3.5.2 力学性能测试
• 3.5.3 热性能
• 3.5.4 微观形貌测试
• 3.6 本章主要结论
• 第四章 碳纳米管/环氧树脂导电网络形成的理论运算
• 4.1 引言
• 4.2 导电复合材料逾渗与理论模型
• 4.3 实验及理论计算
• 4.3.1 计算的假设前提
• 4.3.2 粗碳纳米管和纯化碳纳米管的密度测定
• 4.3.3 基于经典统计的逾渗理论方程的计算
• 4.4 本章结论
• 第五章 全文结论
• 参考文献
• 致谢