碳納米管增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備及其力學(xué)性能

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1、萬(wàn)方數(shù)據(jù)第38卷第1期2011燕北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JournalofBeijingUniversityofChemicalTechnology(NaturalScience)V01．38．No．120ll碳納米管增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備及其力學(xué)性能張昊蔡佩芝趙東林。沈曾民(北京化工大學(xué)化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029)摘要：通過(guò)對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行表面處理，用超聲分散和模具澆注成型法制備了碳納米管／環(huán)氧樹(shù)脂納米復(fù)合材料。研究了碳納米管含量和表面處理對(duì)碳納米管／環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能和斷面形貌的影響，分析了碳納米管對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的增強(qiáng)機(jī)理

2、。結(jié)果表明，隨著碳納米管含量的增加，碳納米管／環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度及模量先增加后減??；當(dāng)碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．5％時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別達(dá)到最大值69．8MPa、136．9MPa和3．72GPa，比純環(huán)氧樹(shù)脂提高了33．9％、29．3％和4．8％；當(dāng)碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．5％時(shí)，拉伸模量達(dá)到最大值2050．5MPa，比純環(huán)氧樹(shù)脂提高了7．3％。關(guān)鍵詞：碳納米管；環(huán)氧樹(shù)脂；復(fù)合材料；力學(xué)性能中圖分類(lèi)號(hào)：TB332引言碳納米管自1991年被Iijima?發(fā)現(xiàn)以來(lái)，以其獨(dú)特的力學(xué)性能、電學(xué)性能和磁學(xué)性能等在復(fù)合材料領(lǐng)域得到廣泛

3、的關(guān)注。Treaty等。21通過(guò)測(cè)試得到多壁碳納米管的彈性模量可到1TPa，與金剛石的彈性模量處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)上。其強(qiáng)度大約是鋼的100多倍，而密度卻只有鋼的六分之一；Wong等口1研究了多壁碳納米管的軸向力學(xué)性能，得到彈性模量大小為200—4000GPa，彎曲強(qiáng)度為14GPa，壓縮強(qiáng)度為100GPa。碳納米管還具有極高的抗形變能力，在拉伸為18％時(shí)才會(huì)斷裂；Iijima等。41研究了碳納米管的彎曲強(qiáng)度，通過(guò)實(shí)際測(cè)試和理論分析的對(duì)比得到碳納米管具有很好的韌性，最大的彎曲角度超過(guò)100。。所以碳納米管被認(rèn)為是一種理想的復(fù)合材料的增強(qiáng)體，有望被用來(lái)增強(qiáng)聚合物基體從而提

4、高其性能¨。1。環(huán)氧樹(shù)脂是一種理想的復(fù)合材料的基體，其應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛。但是固化后的環(huán)氧樹(shù)脂通常比較收稿日期：2010一04—21基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(50672004)；國(guó)家“863”計(jì)劃(2008AA032513)第一作者：男，1973年生，碩士生·通訊聯(lián)系人E．mail：dlzhao@mail．buet．edu．cn脆，耐疲勞性、耐熱性、抗沖擊性都比較差，相應(yīng)地限制了其廣泛的應(yīng)用。利用性能優(yōu)良的碳納米管來(lái)作為增強(qiáng)相對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性研究具有很高的現(xiàn)實(shí)意義‘7。1引。由于碳納米管表面不活潑，在制備的碳納米管／聚合物復(fù)合材料中與聚合物之間的界面作用力較弱，

5、難以充分發(fā)揮碳納米管優(yōu)異的性能，因此，需要對(duì)其表面進(jìn)行修飾。碳納米管的表面修飾方法主要分為物理法和化學(xué)法兩種，物理法不改變碳納米管的結(jié)構(gòu)，主要采用表面活性劑或者聚合物來(lái)修飾碳納米管?；瘜W(xué)法采用強(qiáng)氧化劑來(lái)修飾碳納米管，在其表面接枝上某些官能團(tuán)，改變碳納米管在溶劑或者聚合物基體中的分散性，同時(shí)碳納米管表面的官能團(tuán)還可以與聚合物基體之間有化學(xué)反應(yīng)，生成強(qiáng)的界面作用力，充分發(fā)揮碳納米管的優(yōu)異性能，采用強(qiáng)酸處理可對(duì)碳納米管進(jìn)行切割，利用碳納米管表面的缺陷把其剪切變短，同時(shí)在碳納米管上接枝一些官能團(tuán)，從而能夠與其他聚合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)¨卜b]。本文采用硝酸沸點(diǎn)回流法對(duì)碳納米管進(jìn)

6、行表面處理，在其表面接枝官能團(tuán)，制備碳納米管增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，在低碳納米管添加量條件下，起到明顯的增強(qiáng)效果，制備了力學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)合材料。1實(shí)驗(yàn)部分1．1原材料多壁碳納米管(MWNTs)，直徑為40—60nm，深萬(wàn)方數(shù)據(jù)第1期張吳等：碳納米管增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備及其力學(xué)性能圳納米港有限公司；環(huán)氧樹(shù)脂E一51(EP)，藍(lán)星新材料無(wú)錫樹(shù)脂廠；固化劑甲基四氫苯酐(MTHPA)、促進(jìn)劑2，4，6一三(二甲胺基甲基)苯酚(DMP一30)，北京化學(xué)試劑公司。1．2MWNTs／環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備首先對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行表面處理，用硝酸沸點(diǎn)回流法對(duì)碳納米管進(jìn)行處理

7、，在250mL的燒瓶中加入適量碳納米管，然后加入100mL濃硝酸，在沸騰狀態(tài)下冷凝回流5h，冷卻后取出，過(guò)濾，并用去離子水沖洗至中性，60℃烘干24h。將環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑和促進(jìn)劑按照質(zhì)量比為100：70：l的配比分別準(zhǔn)確稱(chēng)量60、42和0．6g混合后，放人數(shù)顯恒溫水浴儀中在60℃條件下恒溫加熱5rain，在加熱過(guò)程中用玻璃棒不斷攪拌溶液來(lái)增加溶液的流動(dòng)性和均勻性。按以上混合溶液質(zhì)量的0．5％、1％、1．5％和2％的比例，分別準(zhǔn)確稱(chēng)量碳納米管0．513、1．026、1．539和2．052g。將碳納米管加入環(huán)氧樹(shù)脂中，用玻璃棒攪拌后再用功率為600W超聲波分散儀進(jìn)行超

8、聲處理4h