聚乳酸-碳納米管復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能.pdf

1、本文首先采用熔融共混的方法制備了PLA/CNT復(fù)合材料，然后通過形貌表征、結(jié)構(gòu)流變學(xué)以及熱、力學(xué)性能分析等方法研究了復(fù)合材料的微觀和介觀結(jié)構(gòu)、粘彈響應(yīng)、結(jié)晶行為、力學(xué)強(qiáng)度、導(dǎo)電性和降解行為。重點(diǎn)考察了CNT的納米分散形態(tài)、介觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及與基體間的界面粘結(jié)對(duì)復(fù)合材料宏觀性能的影響，并利用線性粘彈理論、非線性逾滲理論、力學(xué)模型以及結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)模型等描述了聚乳酸/碳納米管復(fù)合材料的多層次結(jié)構(gòu)與其宏觀性能間的關(guān)系。 (1) CNT的

2、加入強(qiáng)烈影響復(fù)合材料的線性和非線性粘彈行為。隨CNT含量增加，體系低頻區(qū)的動(dòng)態(tài)模量逐漸增強(qiáng)，并表現(xiàn)出明顯的類固態(tài)響應(yīng)，這是由于CNT在動(dòng)態(tài)剪切流動(dòng)中形成了瞬態(tài)的逾滲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所致；而在非線性的穩(wěn)態(tài)剪切流動(dòng)中，CNT的逾滲網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)烈的剪切敏感性，即使非常小的剪切速率也足以破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致體系模量急劇下降；不過逾滲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在靜態(tài)退火過程中可以重建，從而使得復(fù)合體系表現(xiàn)出明顯的瞬態(tài)應(yīng)力過沖行為。因此，結(jié)構(gòu)流變學(xué)是表征復(fù)合體系內(nèi)部CNT的近程

3、結(jié)構(gòu)(納米分散形態(tài))和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)(介觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu))的有力工具； (2)當(dāng)采用表面修飾不同的CNT和長(zhǎng)徑比不同的CNT改性PLA時(shí)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)流變學(xué)的結(jié)果表明，羧基化的CNT的在PLA基體中的逾滲閥值遠(yuǎn)小于羥基化的CNT，說(shuō)明兩種CNT的實(shí)際填充效果截然不同。在相同的含量下，前者在PLA基體中的有效體積分?jǐn)?shù)比后者高了3倍，致使兩個(gè)復(fù)合體系的動(dòng)態(tài)流變響應(yīng)間差異巨大。歸根到底，這是由于PLA分子鏈與羧基化的CNT親和性更好所造成的；而

4、CNT的長(zhǎng)徑比也同樣強(qiáng)烈影響復(fù)合體系的流變響應(yīng)。盡管在熔融復(fù)合過程中會(huì)斷裂，但與長(zhǎng)徑比小的CNT相比，長(zhǎng)徑比大的CNT仍具有較大的水力學(xué)體積，這有效地增加了CNT間相互碰撞、摩擦的幾率，從而使復(fù)合體系的逾滲閥值顯著低于長(zhǎng)徑比小的CNT的復(fù)合體系； (3)無(wú)論是在等溫還是非等溫的退火條件下，CNT都具有明顯的異相成核作用，促進(jìn)了PLA基體晶核的生成；但體系的結(jié)晶速率還與結(jié)晶歷史有關(guān)。等溫條件下，體系從熔融態(tài)冷卻結(jié)晶時(shí)，CNT的加

5、入會(huì)使結(jié)晶速率加快，而體系在固態(tài)下冷結(jié)晶時(shí)卻恰好相反，這是因?yàn)槔浣Y(jié)晶時(shí)雖然存在異相成核的作用，但是CNT對(duì)PLA分子鏈段擴(kuò)散的阻礙占據(jù)了動(dòng)力學(xué)過程的主導(dǎo)地位，從而使得體系冷結(jié)晶的速率下降。而在非等溫條件下，成核則是動(dòng)力學(xué)過程的控制因素，因此CNT的加入導(dǎo)致體系冷結(jié)晶速率增加； (4) CNT的加入提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和抗沖強(qiáng)度；但當(dāng)CNT含量達(dá)到臨界值1.5 wt％以上時(shí)，由于體積填充分?jǐn)?shù)的急劇增大使得CNT在熔融復(fù)合時(shí)容

6、易局部團(tuán)聚，因此復(fù)合材料的力學(xué)性能反而下降；與純PLA相比，CNT的加入使復(fù)合材料的電導(dǎo)率提高了約14個(gè)數(shù)量級(jí)，而導(dǎo)電逾滲閥值(約為1 wt％)要略大于流變逾滲閥值(0.77 wt％)，這是由兩者的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同所致；不過復(fù)合材料的電導(dǎo)率還依賴于體系的熱歷史：退火后由于PLA基體的結(jié)晶度變大，導(dǎo)致CNT在無(wú)定形區(qū)的體積濃度增加，從而使材料的電導(dǎo)率進(jìn)一步提高； (5)復(fù)合材料的降解行為依賴于CNT的表面修飾和材料的熱歷史。在熱降解