电弧法单壁碳纳米管的纯化及其改性丁苯橡胶的研究

论文摘要

由于碳纳米管具有独特结构，极优异的力学性能、热学性能和电磁性能，因此，它从发现之初便吸引了大量的关注。单壁碳纳米管更是由于其独特的一维纳米结构、高强度和模量，而被看作优异的补强材料。本文系统研究了电弧法制备的单壁碳纳米管（arc-SWNTs）的纯化方法，分析了硝酸酸化过程和离心分离过程对SWNTs纯度的影响；并应用纯化后的SWNTs通过溶液共混法制备了单壁碳纳米管/丁苯橡胶复合材料，研究了SWNTs/SBR的力学性能和热学性能。结果表明：硝酸酸化的过程有效除去了arc-SWNTs中的金属催化剂颗粒和大部分的无定型碳杂质，同时，它在碳纳米管表面引入了羧基、羟基等氧化性基团。高速离心的方法能使碳纳米管存在于离心悬浮液中，而碳颗粒杂质形成沉淀，从而分离得到高纯度的单壁碳纳米管。单壁碳纳米管的加入明显提高了丁苯橡胶的强度和韧性。当SWNTs含量为1％时，SWNTs/SBR复合材料展现了最好的力学性能，其拉伸强度比丁苯橡胶增强了54％，M100增大了30％，硬度增强了15％。SWNTs的存在提高了橡胶的降解温度，SWNTs对橡胶基体起到了热稳定效应。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 碳纳米管简介
• 1.1.1 单壁碳纳米管的结构
• 1.1.2 碳纳米管的制备
• 1.1.2.1 电弧法
• 1.1.2.2 激光蒸发法
• 1.1.2.3 化学气相沉积法
• 1.1.3 单壁碳纳米管的性质
• 1.2 碳纳米管的纯化
• 1.2.1 液相氧化法
• 1.2.2 空间排斥色谱法
• 1.2.3 离心微过滤法
• 1.2.4 气相反应法
• 1.2.5 液相氧化—离心分离复合法
• 1.3 碳纳米管/聚合物复合材料
• 1.3.1 碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法
• 1.3.1.1 溶液共混法
• 1.3.1.2 熔融共混法
• 1.3.1.3 原位聚合法
• 1.3.1.4 其他方法
• 1.3.2 碳纳米管/橡胶复合材料的性质
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 单壁碳纳米管的纯化
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验仪器及药品
• 2.2.2 arc-SWNTs的纯化过程
• 2.2.3 性能测试
• 2.2.3.1 TG测试
• 2.2.3.2 TEM测试
• 2.2.3.3 SEN测试
• 2.2.3.4 Raman测试
• 2.2.3.5 红外光谱测试
• 2.2.3.6 紫外可见近红外光谱测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 电弧法制备的SWNTs的纯度表征
• 2.3.1.1 扫描电镜表征
• 2.3.1.2 热重分析
• 2.3.1.3 紫外可见近红外吸收光谱表征
• 2.3.1.4 拉曼光谱表征
• 2.3.1.5 红外光谱表征
• 2.3.2 酸化过程对SWNTs的纯度的影响
• 2.3.2.1 热重分析
• 2.3.2.2 拉曼光谱表征
• 2.3.2.3 扫描电镜表征
• 2.3.2.4 红外光谱表征
• 2.3.3 离心过程对SWNTs纯度的影响
• 2.3.3.1 紫外可见近红外吸收光谱表征
• 2.3.3.2 拉曼光谱表征
• 2.3.3.3 透射电镜表征
• 2.4 本章结论
• 3 单壁碳纳米管/丁苯橡胶复合材料
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验仪器
• 3.2.2 药品
• 3.2.3 SWNTs/SBR复合材料的制备
• 3.2.4 SWNTs/SBR复合材料样品测试
• 3.2.4.1 拉伸性能测试
• 3.2.4.2 硬度测试
• 3.2.4.3 TG测试
• 3.2.4.4 拉伸表面形态测试
• 3.2.4.5 交联密度测试
• 3.2.4.6 红外吸收光谱测试
• 3.2.4.7 拉曼光谱测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 不同SWNTs含量对SWNTs/SBR复合材料性能的影响
• 3.3.2 不同SWNTs含量对SWNTs/SBR硬度的影响
• 3.3.3 不同SWNTs含量对SWNTs/SBR交联密度的影响
• 3.3.4 SWNTs/SBR复合材料的热学性能
• 3.3.5 SWNTs/SBR复合材料的拉伸断裂形态
• 3.3.6 SWNTs/SBR复合材料红外吸收光谱
• 3.3.7 SWNTs/SBR复合材料拉曼光谱
• 3.4 本章结论
• 4 结论
• 4.1 本课题主要结论
• 4.2 本文特色
• 4.3 尚待进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献