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    碳納米管納米復合材料的分析現狀及問題

    悉尼代写,商科assignment代写,网课代修,论文加急-OnlyEssay來源:網絡  時間:2017-07-01 00:29:00

      

    [摘 要]文章介紹了碳納米管的結構和性能,綜述了碳納米管/聚合物復合材料的制备方法及其聚合物結構复合材料和聚合物功能復合材料中的應用研究情況,在此基礎上,分析了碳納米管在复合材料制備過程中的純化、分散、損傷和界面等問題,并展望了今后碳納米管/聚合物復合材料的發展趨勢。

    [關鍵詞]碳納米管;復合材料;結構;性能

    自從 1991 年日本筑波 NEC 實驗室的物理學家飯島澄男(Sumio Iijima)[1]首次報道了碳納米管以來,其獨特的原子結構與性能引起了科學工作者的極大興趣。按石墨層數的不同碳納米管可以 分 為單壁碳 納 米管(SWNTs) 和多壁碳 納 米管(MWNTs)。碳納米管具有極高的比表面積、力學性能(碳納米管理論上的軸向彈性模量與抗張強度分別為 1~2 TPa 和 200Gpa)、卓越的熱性能與電性能(碳納米管在真空下的耐熱溫度可達 2800 ℃,導熱率是金剛石的 2 倍,电子載流容量是銅導線的 1000 倍)[2-7]。碳納米管的這些特性使其在復合材料领域成為理想的填料。聚合物容易加工并可制造成結構復雜的構件,采用傳統的加工方法即可将聚合物/碳納米管復合材料加工及制造成結構復雜的構件,并且在加工過程中不會破壞碳納米管的結構,從而降低生產成本。因此,聚合物/碳納米管復合材料被廣泛地研究。

    根據不同的應用目的,聚合物/碳納米管复合材料可相應地分為結構复合材料和功能復合材料兩大類。近几年,人們已經制備了各種各樣的聚合物/碳納米管復合材料,并對所制備的復合材料的力學性能、電性能、熱性能、光性能等其它各種性能進行了廣泛地研究,對這些研究結果分析表明:聚合物/碳納米管復合材料的性能取決于多種因素,如碳納米管的类型(單壁碳納米管或多壁碳納米管),形態和結构(直徑、長度和手性)等。文章主要對聚合物/碳納米管復合材料的研究現狀進行綜述,并對其所面臨的挑戰進行討論。

    1 聚合物/碳納米管復合材料的制備

    聚合物/碳納米管復合材料的制備方法主要有三種:液相共混、固相共融和原位聚合方法,其中以共混法較為普遍。

    1.1 溶液共混復合法

    溶液法是利用机械攪拌、磁力攪拌或高能超聲將團聚的碳納米管剝離開来,均勻分散在聚合物溶液中,再將多余的溶劑除去后即可獲得聚合物/碳納米管復合材料。這種方法的優點是操作簡單、方便快捷,主要用来制備膜材料。Xu et al[8]和Lau et al.[9]采用这種方法制備了CNT/環氧樹脂復合材料,并報道了復合材料的性能。除了環氧樹脂,其它聚合物(如聚苯乙烯、聚乙烯醇和聚氯乙烯等)也可采用這種方法制備復合材料。

    1.2 熔融共混復合法

    熔融共混法是通過轉子施加的剪切力將碳納米管分散在聚合物熔體中。這種方法尤其適用于制備熱塑性聚合物/碳納米管復合材料。該方法的優點主要是可以避免溶劑或表面活性劑對復合材料的污染,復合物沒有發現断裂和破損,但僅適用于耐高溫、不易分解的聚合物中。Jin et al.[10]采用這種方法制備了 PMMA/ MWNT 復合材料,并研究其性能。結果表明碳納米管均勻分散在聚合物基體中,沒有明顯的損壞。复合材料的儲能模量顯著提高。

    1.3 原位復合法

    將碳納米管分散在聚合物單體,加入引發剂,引發單體原位聚合生成高分子,得到聚合物/碳納米管復合材料。這種方法被認為是提高碳納米管分散及加強其与聚合物基體相互作用的最行之有效的方法。Jia et al.[11]采用原位聚合法制備了PMMA/SWNT 復合材料。結果表明碳纳米管與聚合物基體間存在強烈代寫論文的黏結作用。這主要是因為 AIBN 在引發過程中打開碳納米管的 π 鍵使之參与到 PMMA 的聚合反應中。采用經表面修飾的碳納米管制备 PMMA/碳納米管復合材料,不但可以提高碳納米管在聚合物基體中的分散比例,復合材料的機械力學性能也可得到巨大的提高。

    2 聚合物/碳納米管復合材料的研究現狀

    2.1 聚合物/碳納米管結構復合材料

    碳納米管因其超乎尋常的強度和剛度而被認為是制備新一代高性能結構復合材料的理想填料。近幾年,科研人員针對聚合物/碳納米管復合材料的机械力學性能展開了多方面的研究,其中,最令人印象深刻的是隨著碳納米管的加入,復合材料的彈性模量、抗張強度及斷裂韌性的提高。

    提高聚合物機械性能的主要問題是它们在聚合物基體內必須有良好的分散和分布,并增加它們與聚合物鏈的相互作用。通過優化加工條件和碳納米管的表面化學性質,少許的添加量已經能夠使性能獲得顯著的提升。預計在定向結構(如薄膜和纖維)中的效率最高,足以讓其軸向性能發揮到極致。在連续纖維中的添加量,單壁碳納米管已经達到 60 %以上,而且測定出的韌度相當突出。另外,只添加了少量多壁或單壁納米管的工程纤維,其強度呈現出了较大的提升。普通纖維的直徑僅有幾微米,因此只能用納米尺度的添加劑來對其进行增強。孫艷妮等[12]將碳納米管羧化處理后再与高密度聚乙烯(HDPE)復合,采用熔融共混法制備了碳納米管/高密度聚乙烯復合材料,并對其力學性能進行了研究。結果表明:碳納米管的加入,提高了復合材料的屈服強度和拉伸模量,但同时卻降低了材料的斷裂强度和斷裂伸長率。Liu 等[13]采用熔融混合法制得了 MWNT/PA6(尼龍 6)復合材料,結果表明,CNTs 在 PA6基體中得到了非常均勻的分散,且 CNTs 和聚合物基体間有非常強的界面粘接作用,加入 2 wt%(質量分數)的 MWNTs 時,PA6 的彈性模量和屈服強度分別提高了 214 %和 162 %。總之,碳納米管對復合材料的機械性能的影響,在很大程度上取決于其質量分數、分散狀況以及碳納米管與基質之間的相互作用。其他因素,比如碳納米管在復合材料中的取向,纖維在片層中的取向,以及官能團對碳納米管表面改性的不均勻性,也可能有助于改善復合材料的最終機械性能。

    2.2 聚合物/碳納米管功能復合材料

    2.2.1 導电復合材料

    聚合物/碳納米管導電复合材料是靜電噴涂、静電消除、磁盤制造及潔凈空間等領域的理想材料。GE 公司[14]用碳纳米管制備導電復合材料,碳纳米管質量分數為 10 %的各種工程塑料如聚碳酸酯、聚酰胺和聚苯醚等的導電率均比用炭黑和金屬纖維作填料時高,這種導電復合材料既有抗沖擊的韌性,又方便操作,在汽車車體上得到廣泛應用。LNP 公司成功制備了靜電消散材料,即在 PEEK 和 PEI 中添加碳納米管,用以生產晶片盒和磁盤驅動元件。它的離子污染比碳纖維材料要低65 %~90 %。日本三菱化學公司也成功地用直接分散法生产出了含少量碳納米管的 PC 復合材料,其表面極光潔,物理性能優異,是理想的抗靜電材料[15]。另外,聚合物/碳納米管导電復合材料的電阻可以隨外力的變化而實現通-断動作,可用于壓力傳感器以及觸摸控制開關[16];利用該材料的電阻對各種化學氣體的性質和濃度的敏感性,可制成各種氣敏探測器,对各種氣體及其混合物進行分類,或定量化檢測和监控[17];利用该材料的正溫度效應,即當溫度升至結晶聚合物熔點附近時,電阻迅速增大几個數量級,而當溫度降回室溫后,電阻值又回復至初始值,可應用于電路中自動調節輸出功率,實現溫度自控開關[18]。

    2.2.2 導熱復合材料

    許多研究工作证明,碳納米管是迄今為止人們所知的最好的导熱材料。科學工作者預测,單壁碳納米管在室溫下的导熱系數可高達 6600 W/mK[19],而经分離后的多壁碳納米管在室温下的導熱系數是 3000~6600 W/mK。由此可以想象,碳納米管可顯著提高復合材料的導熱系數及在高溫下的热穩定性[20]。Wu 等[21]制 備 了 多 壁 碳 纳 米 管 / 高 密 度 聚 乙 烯(MWNTs/HDPE)復合材料,并對其热性能進行了深入的研究,實验結果表明:導熱系數隨著 MWNTs 含量的增加而升高。當MWNTs 的質量分數达到 38 h,混

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