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碳纳米管的改性及其复合材料性能的研究

作　者: 赵伟东
导　师: 高歌
学　校: 吉林大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 碳纳米管高分子修饰水相分散性力学性能热学性能
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在本论文中,通过二乙胺和环氧氯丙烷间的反应合成了聚季铵盐,然后用聚季铵盐修饰酸氧化处理过的碳纳米管(CNTs)。本文采用浓硫酸和浓硝酸对碳纳米管进行混酸氧化,使碳纳米管壁上生成羧基。将羧基化的碳纳米管在二环已基碳二亚胺(DCC)催化下与聚季铵盐进行缩合反应生成酯基。对产品进行水溶性测试,结果表明,与聚季铵盐缩合反应后的碳纳米管水溶性大大提高。通过用不同混酸处理时间的碳纳米管来制备不同聚乙烯醇高分子基碳纳米管复合材料。应用混酸氧化的方法使碳纳米管表面的缺陷氧化形成羧基,再借助超声波的作用,使CNTs均匀分散于单体中,然后通过溶液混合的方法制备了碳纳米管/聚乙烯醇(CNTs/PVA)复合材料。通过透射电镜和扫描电镜观察了CNTs的分散状况和材料的结构,然后对材料的力学性能及热学性能进行了研究,并探讨了CNTs对复合材料的结构和性能的影响。实验结果表明,氧化后的CNTs在基体中分散良好,两相间有较好的相容性,材料的力学性能得到提高,氧化时间对材料的力学性能有较大的影响,在CNTs的氧化时间为0.5h左右时达到最好的效果。CNTs/PVA复合材料的耐高温性能远远大于单独聚乙烯醇材料的耐高温性,并且加入的碳纳米管酸化的时间越长耐高温性越好。

全文目录

提要  4-8
第1章绪论  8-24
  1.1 前言  8
    1.1.1 碳纳米管的历史与发展  8
  1.2 碳纳米管的介绍  8-10
    1.2.1 碳纳米管的基本结构  8-9
    1.2.2 碳纳米管的性能  9-10
      1.2.2.1 力学性能与应用  9
      1.2.2.2 电学性能与应用  9-10
      1.2.2.3 模板性能与应用  10
      1.2.2.4 其它性能与应用  10
  1.3 碳纳米管的制备  10-13
    1.3.1 石墨电弧法  11
    1.3.2 催化裂解法（又称CVD 法）  11-12
    1.3.3 激光蒸发石墨棒法  12
    1.3.4 热解聚合物法  12
    1.3.5 火焰法  12-13
  1.4 碳纳米管的溶解性能及其改性  13-22
    1.4.1 改善碳纳米管溶解性的背景  13-14
    1.4.2 碳纳米管容易团聚的原因  14
    1.4.3 碳纳米管的溶解性  14-15
    1.4.4 不同处理方法对碳纳米管分散性的影响  15-16
      1.4.4.1 不同表面活性剂对碳纳米管分散性的影响  15-16
      1.4.4.2 超声振荡时间对碳纳米管分散形态的影响  16
      1.4.4.3 表面活性剂浓度及复配对碳纳米管分散形态的影响  16
    1.4.5 改善碳纳米管溶解性能的方法  16-20
      1.4.5.1 CNTs 直接分散法  16-17
      1.4.5.2 原位聚合复合法  17-18
      1.4.5.3 其它能量处理法  18-19
      1.4.5.4 通过包裹作用  19-20
    1.4.6 目前国内外科研中常用的几种处理方法  20-22
      1.4.6.1 超声波分散处理  20-21
      1.4.6.2 浓硝酸对碳纳米管的分散作用  21-22
      1.4.6.3 聚乙烯醇氧化处理  22
      1.4.6.4 通过电子供-受作用增加溶解性  22
  1.5 本文的研究目的和主要内容  22-24
第2章碳纳米管的溶解性能及其改性  24-33
  2.1 实验材料与仪器  24-25
  2.2 聚季铵盐的合成  25
  2.3 碳纳米管的混酸氧化处理  25
  2.4 DCC 催化下羧基化碳纳米管与聚季铵盐的缩合反应  25
  2.5 酸氧化后的碳纳米管与二乙胺反应  25-26
  2.6 碳纳米管酰胺化反应  26
  2.7 结果讨论及产品表征  26-32
    2.7.1 合成聚季铵盐反应  26-27
    2.7.2 碳纳米管混酸氧化  27-29
      2.7.2.1 红外分析  27-29
      2.7.2.2 比较其他文献  29
    2.7.3 DCC 催化下羧基化碳纳米管与聚季铵盐缩合反应  29-30
      2.7.3.1 红外分析  29-30
      2.7.3.2 比较其他文献  30
    2.7.4 酸氧化后的碳纳米管酰胺化反应  30
    2.7.5 酰胺化碳纳米管与聚季铵盐的反应  30-31
    2.7.6 产品水溶性分析  31-32
  2.8 本章小结  32-33
第3章碳纳米管/聚乙烯醇复合材料的制备过程及力学性能的测试  33-45
  3.1 引言  33
  3.2 实验材料与仪器  33-34
  3.3 CNTs 混酸氧化处理  34
  3.4 配置CNTs/PVA 溶液  34-35
    3.4.1 配置聚乙烯醇溶液  34-35
    3.4.2 配置定量CNTs/PVA 溶液  35
  3.5 复合材料固化成膜  35
  3.6 CNTs/PVA 复合材料的力学性能的测试  35-36
    3.6.1 复合材料的形状和尺寸  35
    3.6.2 力学测试  35-36
  3.7 结果与讨论  36-44
    3.7.1 碳纳米管混酸氧化处理后的结构表征  36-39
      3.7.1.1 SEM 结构表征  36-37
      3.7.1.2 用红外表征碳纳米管回流1-3h 产物的官能团  37-38
      3.7.1.3 修饰后的碳纳米管在水中的分散性和相溶性  38-39
    3.7.2 CNTs/PVA 复合材料力学性能分析  39-44
      3.7.2.1 不同酸化时间的CNTs/PVA 复合材料力学参数  39-42
      3.7.2.2 CNTs 酸化时间对CNTs/PVA 复合材料力学性能的影响  42-44
  3.8 本章小结  44-45
第4章碳纳米管/聚乙烯醇复合材料的热性能测试  45-49
  4.1 热性能测试  45
  4.2 结果与讨论  45-48
    4.2.1 CNTs/PVA 复合材料热学性能分析  45-48
  4.3 本章小结  48-49
参考文献  49-51
摘要  51-52
Abstract  52-53
致谢  53

碳纳米管的改性及其复合材料性能的研究

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