凱夫拉-碳納米管復(fù)合薄膜的制備與性能研究.pdf

1、碳納米管以其優(yōu)異的熱、電和機(jī)械性能掀起科研工作者一陣陣的研究熱潮。而這其中，其低的密度、大的長(zhǎng)徑比、高的力學(xué)性能在聚合物基增強(qiáng)相中顯現(xiàn)出巨大的潛力。凱夫拉纖維是上世紀(jì)60年代美國(guó)杜邦公司研制出的一種新型芳綸纖維復(fù)合材料，這種材料因其高強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性而受到人們的重視。2010年Yang利用去質(zhì)子化的方法可以在不破壞結(jié)構(gòu)的情況下將宏纖維束分散成納米纖維。凱夫拉納米纖維也作為一種新的一維納米材料加入到聚合物的“大家庭”。基于此，利用具有

2、超高模量的碳納米管與高強(qiáng)度的凱夫拉進(jìn)行有效復(fù)合，突出各自優(yōu)點(diǎn)，制備高強(qiáng)、高模量、具有一定電學(xué)性能的復(fù)合薄膜并討論兩者之間的作用規(guī)律給聚合物薄膜的研究增加了新亮點(diǎn)。
　　本文以多壁碳納米管為原材料，分別對(duì)其進(jìn)行了純化和表面修飾處理。采用硫酸和雙氧水預(yù)酸化處理的方法，在經(jīng)過(guò)一系列步驟后，獲得了羧基化多壁碳納米管。隨后對(duì)碳納米管進(jìn)行了必要的表征，認(rèn)為純化處理有效的提升了多壁碳納米管的品質(zhì)。在確認(rèn)羧基基團(tuán)有效接入的前提下，定量的計(jì)算出了表

3、面羧基化含量。并發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)處理后的碳納米管能夠以1mg/ml含量均勻的分散到DMSO溶液中。
　　凱夫拉纖維在DMSO溶液中經(jīng)過(guò)氫氧化鉀的去質(zhì)子化處理，在經(jīng)過(guò)一周的攪拌后制備得到了微觀尺寸的凱夫拉納米纖維溶液。經(jīng)過(guò)觀察，凱夫拉納米纖維長(zhǎng)1-10μm，直徑10-20nm范圍內(nèi)。隨后經(jīng)過(guò)適當(dāng)比例的配合，采用抽濾法制備得到了碳納米管增強(qiáng)凱夫拉納米纖維復(fù)合薄膜。我們發(fā)現(xiàn)復(fù)合薄膜能夠在400℃左右保持結(jié)構(gòu)完整。
　　由于碳納米管的有效引

4、入，勢(shì)必會(huì)對(duì)凱夫拉復(fù)合薄膜的電學(xué)性能有所提升。基于此，本文細(xì)致的對(duì)不同碳納米管體積分?jǐn)?shù)下復(fù)合薄膜的電導(dǎo)率和介電常數(shù)進(jìn)行了表征。在碳納米管體積分?jǐn)?shù)10％時(shí)，復(fù)合薄膜的電導(dǎo)率達(dá)到2.1×10-3S/cm.薄膜的介電常數(shù)1000Hz下最大達(dá)到53.2，介電損耗小于2。同時(shí)，對(duì)于所測(cè)得曲線，本文分別對(duì)導(dǎo)電和介電閾值進(jìn)行了擬合。計(jì)算得到導(dǎo)電和介電的閾值為2.5%，臨界指數(shù)1.21和0.025。
　　凱夫拉纖維常被做為增強(qiáng)相在各種聚合物、陶瓷

5、和金屬基聚合物中承擔(dān)載荷。本文將凱夫拉納米纖維作為基體，希望通過(guò)添加碳納米管作為增強(qiáng)相而獲得機(jī)械性能極佳的復(fù)合材料。通過(guò)重點(diǎn)對(duì)薄膜的強(qiáng)度和模量進(jìn)行測(cè)試和總結(jié)，得到了薄膜的機(jī)械性能和碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)薄膜力學(xué)性能隨著碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，這與其分散程度密不可分。
　　最后本文采用退火和layer by layer增強(qiáng)處理的方法，獲得了力學(xué)性能提升的復(fù)合薄膜。薄膜的最大強(qiáng)度383MPa，模量35.6GP