PMIA修饰多壁碳纳米管及其聚合物复合材料研究

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碳纳米管(CNTs)由于其独特的结构特征和优异性能,自被发现以来就引起了研究者极大的兴趣。它的主要结构是以六元环紧密而完美连接,CNTs不仅密度小、强度大,而且具有许多卓越的热学、电学和机械性能。CNTs极其优异的性能使其成为一种理想的材料添加剂,众多研究表明复合材料的力学性能在碳纳米管添加量极低的情况下,就能有明显的提高。但CNTs也有较大的缺点,它的表面缺乏活性基团,CNTs彼此间存有很强的相互作用,使CNTs在聚合物材料中无法实现理想分散,很大程度上影响CNTs作为添加剂时的性能。因此我们要寻求一种解决CNTs易团聚问题的有效方法。本文采用与CNTs具有相似结构的间位芳纶(PMIA)修饰CNTs,从而增强CNTs的表面活性和减弱管与管之间的相互作用,最终达到增强CNTs分散性的效果。同时PMIA本身也具有十分优异的性能,所以我们期望两者通过协同作用制备出一种“一加一大于二”的材料。在本文中,羧基多壁碳纳米管(MWNTs-COOH)通过与一系列以氨基为末端的间位芳纶(PMIA)进行缩合反应制备了PMIA寡聚物(o-PMIA)化学修饰的多壁碳纳米管(MWNTs-o-P-x:y)。将一系列被环氧氯丙烷(ECH)修饰的PMIA-ECH溶液与氨基碳纳米管(MWNTs-NH2)反应得到PMIA环氧化溶液化学修饰的多壁碳纳米管(MWNTs-P-G-x)。再通过红外光谱分析、热重分析仪、透射电镜、扫描电镜和拉曼光谱(FTIR、TGA、TEM、SEM、Raman)等对MWNTs-o-P-x:y、MWNTs-P-G-x的结构进行表征和观察,证明聚合物成功接枝到CNTs的表面。MWNTs-o-P-x:y、MWNTs-P-G-x的力学性能研究是分别制备以其为添加剂的两种PVC复合膜(K-value 59-55取名为PVC-L,K-value 72-71取名为PVC-H)。从拉伸强度试验结果可以看出,与纯净的PVC-L相比,MWNTs-o-P-x:y/PVC-L的拉伸模量,条件屈服极限和韧性的最大值分别增加了70.54%,117.46%和195.34%。同时MWNTs-o-P-x:y/PVC-H比纯PVC-H薄膜的拉伸模量,条件屈服极限和韧性的最大值分别增加138.41%,126.44%和83.66%。与纯净的PVC-L相比,MWNTs-P-G-x/PVC-L的拉伸模量,条件屈服极限和韧性的最大值分别增加了86.71%,105.99%和141.31%。同时MWNTs-P-G-x/PVC-H比纯PVC-H薄膜拉伸模量,条件屈服极限和韧性的最大值分别增加154.40%,150.21%和77.46%。以上数值与MWNTs-COOH,MWNTs-NH2作PVC添加剂时结果(MWNTs-COOH/PVC-L拉伸模量,条件屈服极限和韧性的最大值分别增加48.66%,72.12%和137.50%,MWNTs-COOH/PVC-H拉伸模量,条件屈服极限和韧性的最大值分别增加50.13%,72.16%和72.85%,MWNTs-NH2/PVC-L拉伸模量,条件屈服极限和韧性的最大值分别增加44.41%,66.76%和83.10%,MWNTs-NH2/PVC-H拉伸模量,条件屈服极限和韧性的最大值分别增加72.60%,57.99%和42.19%)相比,添加过改性后的碳纳米管的PVC力学性能有了显著提高。这说明CNTs经改性后更能发挥其复合物理想添加剂效果。此外,我们还发现低剂量的MWNTs-o-P-x:y、MWNTs-P-G-x可使PVC-L的力学性能达到或超过纯PVC-H的力学性能。因此,MWNTs-o-P-x:y、MWNTs-P-G-x预计将在扩大PVC等通用聚合物材料的应用方面具有广阔的前景。
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