超支化聚合物接枝碳纳米管的制备及其改性环氧树脂研究

发布时间：2020-07-25 17:10

【摘要】：近年来,随着纳米技术的发展,利用碳纳米管作为环氧树脂的改性材料已成为新的研究热点。碳纳米管(CNTs)具有独特的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应以及优异的力学性能和高导热、导电性。将其与环氧树脂复合,不仅能增强环氧树脂基体,而且还能提高材料的热、电性能。但由于碳纳米管的纳米级尺寸而具有大比表面积、大表面原子数,分子间的范德华力促使它们在树脂基体中很容易团聚在一起,降低了碳纳米管作为增强填料的效果,致使复合材料性能下降。为此,需要对碳纳米管表面进行化学改性,防止团聚的发生,提高其在树脂基体中的分散稳定性以及相容性。本文利用“巯基-炔”点击化学法在碳纳米管表面引入超支化聚合物,实现对碳纳米管表面的化学接枝改性,“巯基-炔”点击化学法相对于传统的接枝方法,具有反应条件简单、反应速度快、产率高等优点。本文首先合成了超支化单体(3-巯基丙烯酸丁炔基酯),再通过“巯基-炔”点击反应在碳纳米管表面引入超支化聚合物(HBP)以制得超支化聚合物接枝碳纳米管(CNTs-HBP),然后以双酚A型环氧树脂E-51为基体材料,通过共混法制得超支化聚合物接枝碳纳米管/环氧树脂(CNTs-HBP/EP)复合材料。并对复合材料的力学性能、热性能和电性能进行表征,研究碳纳米管表面引入超支化聚合物对复合材料性能的影响。具体完成内容如下:(1)利用混酸对原始碳纳米管进行预处理,然后将γ-巯基丙酸三甲氧基硅烷(KH590)通过水解缩合反应接枝碳纳米管表面,得到巯基功能化碳纳米管(CNTs-KH590)。利用红外吸收光谱仪、综合热分析仪等对其进行表征。实验结果表明,KH590成功接枝在碳纳米管表面,且接枝率约为14%。(2)由于巯基易被氧化,可通过酯化反应以及一系列对巯基的保护与解保护反应,制得超支化单体(3-巯基丙烯酸丁炔基酯)。再基于“巯基-炔”点击反应,使得巯基功能化碳纳米管表面快速接枝上超支化聚合物,从而得到超支化聚合物接枝碳纳米管(CNTs-HBP)。红外吸收光谱仪、综合热分析仪、X射线光电子能谱仪和核磁共振分析仪等表征结果说明实验成功合成了超支化单体,并且利用“巯基-炔”点击反应成功将超支化聚合物接枝在碳纳米管表面,且接枝率为17%。透射电子显微镜观测结果表明超支化聚合物在碳纳米管表面形成一层厚度大约为4~8 nm的柔性包覆层。此外,分散性实验结果表明碳纳米管表面引入超支化聚合物可明显提高其在无水乙醇中的分散性。(3)以环氧树脂E-51为基体材料,通过与原始碳纳米管和超支化聚合物接枝碳纳米管混合,制备了碳纳米管/环氧树脂复合材料,研究了碳纳米管含量和超支化聚合物的引入对复合材料性能的影响。结果表明,超支化聚合物接枝碳纳米管对环氧树脂的增强效果明显优于原始碳纳米管,当超支化聚合物接枝碳纳米管含量为0.6 wt%时,复合材料的冲击强度和弯曲强度都达到最优,分别为26.2KJ/m~2和285.86 MPa,相比纯环氧树脂分别提升了180%和72%。场发射扫描电镜结果显示,CNTs-HBP/EP复合材料断口断面处随机分布着大量被外力破坏而断裂的碳纳米管,材料整体呈现出典型的韧性断裂特征。(4)在热性能方面,随着CNTs-HBP含量的增加,复合材料的耐热性提升,且玻璃化温度向高温区移动,同时复合材料的导热性比纯环氧树脂有所提高。在电性能方面,随着原始碳纳米管含量的增加,材料体积电阻率开始下降,但随着CNTs-HBP含量的增加,复合材料的体积表面电阻没有出现明显的下降,几乎与纯环氧树脂的相当。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TQ323.5
【图文】：

碳纳米管的结构图

结构图,单壁碳纳米管,碳纳米管,纳米管

图 1-1 碳纳米管的结构图纳米管由于石墨片层在六边形轴向具有不同取向的卷曲，可纳米管，可以用一对整数（n，m）来表示单壁碳纳米管结向和管的直径。如图 1-2 所示，当 n=m 时，其结构称为扶 m=0 时，其结构称为锯齿型；当 n≠m 时，其结构称为手之间相互作用力弱，所以可以沿着轴向方向绕轴旋转和相对围小，缺陷少，均匀一致性较好。碳纳米管长度可达几微米至大于 1000。

超支化聚合物,结构示意图

键作用力吸附在 CNT 表面，达到分散模拟计算，说明碳纳米管与小芳香分电子与芳香分子的耦合作用。利用芳效的方法，能够对 CNT 的电子性质进概述的结构与性能(hypergrafts or hypergrafted polymers 物之一。超支化聚合物在结构上相对完美而是存在这很多缺陷，其支化结聚合物上的官能团随机分布于分子的。这些特有的结构性质使得超支化聚合了国内外大量研究学者对其进行了深

【参考文献】