论文部分内容阅读
碳纳米管以其独特的结构与优异的力学、电学及热学特性被认为是制备聚合物基复合材料的理想增强材料。随着多种碳纳米管规模化制备技术的成熟，市售的商品化碳纳米管具有多种不同的结构特性。选择适合于橡胶复合材料应用的碳纳米管，强化表面惰性的碳管与基体橡胶的界面结合，从而最大程度的发挥出碳纳米管的增强作用与性能优势是本课题的研究目标。针对该目标开展的主要工作和结果如下：1.研究了多壁碳纳米管的结构特性（包括：纯度、管径、原始长度）对机械混炼法制备的碳纳米管/天然橡胶（CNT/NR）复合材料力学性能的影响，结果发现：纯度较低的CNTs（纯度为95wt%）对NR的增强效果显著高于高纯度石墨化的CNTs（纯度为99.9wt%），且随着CNTs管直径的减小，对天然橡胶NR的增强效果越好；CNT的原始长度对复合材料的力学性能影响很小。2.应用普通碳纳米管（CNTs）和具有一维取向结构的碳纳米管束（CNTB），通过机械混炼法制备CNT/NR纳米复合材料。对其微观结构、力学性能和导热性能进行了对比研究。结果表明：CNTB较普通CNTs在NR基体中分散更均匀，且分散后的碳管较长，CNTB复合材料混炼胶具有更强的Payne效应；CNTs和CNTB均能显著提高复合材料的力学性能和导热性能，而CNTB可更显著的提高复合材料的定伸应力；在填充量低于10phr时，NR/CNTB的热导率高于NR/CNTs，但填充量超过10phr后，二者无明显差异；NR/CNTB具有更高的动态滞后损耗和压缩温升。3.利用低温等离子体活化CNTB，进而引发丙烯酸聚合，成功的包覆在碳纳米管表面接枝聚合上一层聚丙烯酸（PAA），得到了PAA表面改性的碳纳米管束（CNTB-PAA）。应用高分辨透射电镜（HRTEM）、X光电子能谱（XPS）、热失重分析（TGA）和拉曼光谱（Raman）对CNTB-PAA进行了表征研究，证实了1~2nm厚的聚丙烯酸层PAA成功包覆在了CNTB的表面，且对CNTB自身结构损伤很小。应用红外光谱证实了CNTB-PAA表面的羧基可与硅烷偶联剂Si69水解产生的Si-OH发生脱醇反应。4.应用机械共混法将CNTB-PAA通过硅烷偶联剂Si69原位改性分散技术加入到天然橡胶中，制备纳米复合材料（NR/CNTB-PAA/Si69）。通过TEM、SEM、RPA、低场强固态核磁对该复合材料与NR/CNTB的微观结构进行了对比研究，结果发现，在NR/CNTB-PAA/Si69中CNTB分散更均匀，但Payne效应（填料网络）明显削弱，CNTB与橡胶的界面结合明显强化。性能对比研究发现：NR/CNTB-PAA/Si69较NR/CNTB在定伸强度显著提高的同时，动态滞后损耗和压缩温升明显下降。通过对比混炼胶和硫化胶低场强核磁共振松弛行为对比分析，提出了缠绕在碳纳米管上的橡胶大分子链在化学交联后，形成碳纳米管-橡胶分子链“互穿网络”的结构模型，合理解释了碳纳米管/橡胶复合材料定伸应力大幅度提高的原因。此外，简单地考查了原位改性热处理条件对碳纳米管/天然橡胶复合材料性能的影响，通过对比分析发现，原位改性热处理有利于增强碳纳米管与橡胶基体间的界面结合作用，并有效的降低Payne效应，最佳的热处理温度为150℃。