電暈等離子體改性碳納米管及其在環(huán)氧樹脂中的應(yīng)用.pdf

1、在眾多碳納米管(CNTs)改性的方法當(dāng)中，等離子體技術(shù)具有清潔、省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。研究表明，等離子體技術(shù)可以成功引發(fā)各種烯烴類單體在CNTs表面的接枝反應(yīng)，使得該方法成為極具吸引力的CNTs表面改性的方法之一。但是，已有的等離子改性CNTs方法，比如輝光和射頻放電等離子體，往往需要在高真空度下進(jìn)行，不利于其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。相比之下，作為等離子體技術(shù)的一員，電暈等離子體技術(shù)可以在常溫常壓下穩(wěn)定的工作，并且在工業(yè)上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于高分子膜材料

2、表面的改性。本論文首次利用該技術(shù)對(duì)多壁碳納米管(MWCNTs)進(jìn)行了表面改性，考察了電暈等離子體改性對(duì)MWCNTs結(jié)構(gòu)、形貌和性能的影響。與此同時(shí)，也就其對(duì)MWCNTs/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱性能的影響進(jìn)行了研究。
　　 首先，采用電暈等離子體預(yù)處理隨后在空氣中進(jìn)行熱處理的方法對(duì)MWCNTs進(jìn)行改性，考察了電暈處理時(shí)間和功率對(duì)改性效果的影響。X-射線能譜與熱失重分析(TGA)表明，電暈處理可以在MWCNTs表面引入含氧官

3、能團(tuán)，且接枝率隨著處理時(shí)間及功率的增加而增加。水接觸角測試表明，含氧官能團(tuán)的引入使MWCNTs的疏水性下降，當(dāng)電暈處理功率為200W，處理時(shí)間為3min時(shí)，MWCNTs的水接觸角從1460下降到1220。另外，電暈處理后的MWCNTs在環(huán)氧樹脂基體中的分散性及兩者之間的界面作用均得到提高，因此，改性MWCNTs/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能以及熱性能均優(yōu)于相應(yīng)的未改性MWCNTs(P-MWCNTs)/環(huán)氧樹脂體系。
　　 其次，采

4、用電暈等離子體預(yù)處理的方法，成功引發(fā)甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)及甲基丙烯酸羥基乙酯(HEMA)單體在MWCNTs表面的接枝聚合。透射電鏡(TEM)與場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)觀察發(fā)現(xiàn)，MWCNTs被聚合物包覆形成一種以MWCNTs為核，以聚合物為殼的核-殼結(jié)構(gòu)。TGA分析表明，聚合物的接枝率受電暈處理時(shí)間和單體濃度的影響。MWCNTs經(jīng)聚合物接枝后，在乙醇和丙酮中的分散性均得到了明顯的提高。
　　 第三，采用DSC方法，研

5、究了聚合物接枝MWCNTs對(duì)環(huán)氧樹脂固化行為以及動(dòng)力學(xué)的影響。結(jié)果表明，經(jīng)聚合物接枝改性后，MWCNTs對(duì)環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)的促進(jìn)作用比純P-MWCNTs更為顯著。聚合物改性MWCNTs的加入明顯降低了環(huán)氧樹脂固化的活化能。相比PGMA接枝的MWCNTs(PGMA-g-CNTs),PHEMA接枝的MWCNTs(PHEMA-g-CNTs)對(duì)環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)的促進(jìn)效果更加明顯。
　　 第四，將不同的MWCNTs與環(huán)氧樹脂復(fù)合，考察了聚

6、合物接枝改性對(duì)MWCNTs/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能與熱性能的影響。光學(xué)顯微鏡、TEM以及SEM等結(jié)果顯示，與P-MWCNTs相比，聚合物接枝改性的MWCNTs在環(huán)氧樹脂中具有更好的分散性，與基體間的界面作用也更強(qiáng)。因此，含有聚合物接枝改性MWCNTs復(fù)合材料的力學(xué)性能及熱性能均明顯優(yōu)于含有P-MWCNTs的復(fù)合材料。另外，與PHEMA-g-CNTs相比，PGMA-g-CNTs對(duì)環(huán)氧樹脂基體力學(xué)性能及熱性能的影響更為顯著。例如，在MWC

7、NTs含量為0.5wt％時(shí)，與P-MWCNTs/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相比，含有PGMA-g-CNTs和PHEMA-g-CNTs復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度分別提高了約39.6％和14.5％，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也分別提高了約4.10C和7.60C。
　　 最后，采用60Coγ-射線輻照的方法，在MWCNTs表面接枝苯乙烯/馬來酸酐共聚物(SMA)，即SMA-g-CNTs。采用紅外、TGA、TEM以及拉曼光譜表征了其表面形貌與結(jié)構(gòu)。隨后將不同的MWC

8、NTs添加到環(huán)氧樹脂中，研究接枝改性前后MWCNTs對(duì)復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果顯示，SMA接枝提高了MWCNTs在環(huán)氧樹脂基體中的分散性，含SMA-g-CNTs的復(fù)合材料的力學(xué)性能及熱性能均優(yōu)于P-MWCNTs/環(huán)氧樹脂體系。通過對(duì)SMA-g-CNTs的胺化，可以進(jìn)一步提高M(jìn)WCNTs對(duì)環(huán)氧樹脂的增強(qiáng)效果。另外，采用60Coγ-射線輻照的方法，在氫氧化鉀/乙醇的溶液中制備了具有較高羥基化程度的MWCNTs,分散性實(shí)驗(yàn)表明，MWCNTs經(jīng)