有关碳纳米管复合材料的探讨(doc 9页)

有关碳纳米管复合材料的探讨(doc 9页)

有关碳纳米管复合材料的研究

摘要：自从上个世纪末纳米技术的出现，纳米材料的独特性能引起人们的广泛关注。把纳米材料与高分子材料复合，制备高性能和功能化的复合材料成为高分子材料领域的热点之一。作为纳米材料领域之一的碳纳米管（CNTs）具有独特的物理性能，是一种具有纳米直径的管状碳纤维，它具有超强的韧性和强度以及优异的导电性能。通过不同的复合方法可制备出增强、导电和电磁屏蔽的优异性能的材料，具有广泛的应用前景。

本论文通过不同的方法制备了不同高分子基碳纳米管复合材料，研究了CNTs在基体中分散状况和复合材料的力学、热学和导电性能，并探讨了CNTs对复合材料的结构和性能的影响。

关键词：纳米材料碳纳米管复合材料

前言：由于高分子材料来源丰富、制造方便、加工容易、节省能源和投资、效益显著、品种繁多、用途广泛，因而在材料领域占有的比重越来越大。但是随着科学技术的发展以及人们生活水平的提高，对高分子材料不断提出各种各样的新要求，使高分子材料科学的发展呈现出高性能化、功能化、复合化、精细化和智能化的趋势。而纳米技术的出现则为材料科学的发展带来革命性的变化，为高性能、功能化的材料开创了新的领域。因而世界上许多国家把纳米材料的开发放在了特别重要的位置，并形成一股纳米复合材料的热潮[1]。

纳米材料是指平均粒径在纳米级（1-100nm）范围内的固体材料的总称。而作为其中重要的一个部分则是聚合物/无机纳米粒子复合材料，一般是指以有机高分子聚合物为连续相与纳米粒子进行复合而得到的复合材料。这种材料能够充分的结合高分子材料以及纳米粒子所具有的特性，大大的扩展了高分子材料的应用领域，而成为纳米材料里的研究热门。

1、纳米材料的特性

1992年国际纳米材料会议对纳米材料定义如下:一相任一维的尺寸达到

100nm以下的材料为纳米材料[2]。由此可知,纳米材料的几何形状既可以是粒径小于100nm的零维纳米粉末,也可以是径向尺寸小于100nm的一维纳米纤维或二维纳米膜、三维纳米块体等。纳米材料的材质可以是金属或非金属;相结构可以是单相或多相;原子排列可以是晶态或非晶态。当物质进入纳米级后,其在催化、光、电、热力学等方面都出现特异化,这种现象被称为“纳米效应”。具体表现在以下几个方面：

（1）表面效应

2、纳米材料在高分子复合材料中的应用

纳米复合材料(nanocomposites)的概念是本世纪80年代中期才提出来的，一般来说，纳米复合材料是指显微结构中至少有一相的一维尺寸少于100nm的复合材料。近十年来,纳米复合材料的发展非常迅速,受到了材料界和产业界的普遍关注,形成了纳米复合材料研究的热潮[5]。目前国内外许多科学工作者都在通过高技术手段,采用纳米技术及先进的制造工艺,将纳米技术用于复合材料的制造中,以提高复合材料的性能,并取得了许多可喜的研究成果。

2.1高分子纳米复合材料的制备方法

(1)插层复合

插层复合法的原理以层状硅酸盐粘土-蒙脱土(MMT)插层PA6为例,插层复合法主要有两种:一是插层聚合法,即先将聚合物单体分散,与经插层剂处理的层状硅酸盐混合,然后原位聚合,利用聚合时放出的热量,使其剥离成厚约1nm、长宽均约100nm的层状硅酸盐基本单元,均匀分散在聚合物基体中,实现高分子与硅酸盐在纳米尺度上的复合,但该法只合适制备粘土型复合材料而不能广泛使用。二是聚合物插层,即将聚合物熔体或溶液与硅酸盐混合,利用力学或热力学作用使层状硅酸盐剥离成纳米尺度的片层并均匀分散在聚合物基体中形成纳米复合材料。其中聚合物熔融插层是聚合物在高于其软化温度下加热,在静止或剪切力作用下直接插层进入硅酸盐片层间,无需溶剂，易于工业化生产，有很大的应用前景。

(2)共混法

共混法是通过溶液共混、乳液共混与溶液共混、熔融共混和机械共混等4种方式制得纳米复合材料,此法是制备纳米复合材料最简单的方法,适合各种形态的纳米粒子。共混法将纳米粒子与材料的合成分步进行,可控制粒子状态、尺寸。其难点是粒子的分散问题,由于纳米粒子比表面积大和比表面能极大,因此,极易发生团聚,难以保证纳米粒子在聚合物基体中的均匀分散,失去纳米粒子的特殊性质,控制粒子微区相尺寸及尺寸分布,共混前对纳米粒子的表面处理是其成败的关键。

(3)原位聚合法

原位聚合法就是将经过表面处理的纳米粒子加入到单体中,混合均匀,然后

在适当条件引发单体聚合,从而制得聚合物基纳米复合材料[6]。原聚合方式有悬浮聚合、分散聚合和乳液聚合等。Shang S.W.等[7]通过丙烯酸酯表面处理SiO2纳米粒子，然后加入到EVA单体中进行原位聚合制得EVA/SiO2复合材料。原位聚合法在磁性高分子微球和非线性光学材料的制备中有广泛的应用。此法操作简单,在原位填充过程中，基体只经一次聚合成型，不须加工，避免由此产生的热降解，从而保证各种性能的稳定。

(4)溶胶-凝胶法(Sol-Gel)

Sol-Gel过程是将烷氧金属或金属盐等前驱物质(水溶性盐或油溶性醇盐)溶于水或有机溶剂中形成均质溶液,溶质发生水解反应形成纳米粒子并形成溶胶,缩聚形成凝胶,再经溶剂挥发或加热等方法处理制成固体样品的方法。溶胶-凝胶法大概可分为3种情况:(1)把前驱体溶解在预形成的聚合物溶液中,在酸、碱或某些盐的催化作用下,让前驱物水解,形成半互穿网络[8];(2)把前驱物和聚合物单体溶解在溶剂中,让水解和单体聚合同时进行。这样使一些完全不溶的聚合物靠原位生成而均匀地嵌入无机网络;(3)在上述的聚合物或单体中,可以引入能与无机组分形成化学键的基团,增加有机与无机组份之间的相互作用。Sol-Gel法合成的纳米复合材料中有机、无机分子混合均匀,产物材料的成分能够精密控制,工艺过程温度低,材料纯度高。该法的特点是可在温和条件下进行,两相分散均匀,通过低温化学手段在相当小的尺寸范围内能够裁剪和控制材料的显微结构,使其均匀性达到显微米级、纳米级甚至分子级水平。陈艳[9]等采用溶胶-凝胶法制备了聚酰亚胺/SiO2纳米复合材料。该法存在的最大问题是在凝胶干燥过程中,由于溶剂、小分子、水的挥发可能导致材料收缩脆裂,而且,有机金属氧化物交联成网状结构,不利于加工,需要经过剪裁合成预期骨架结构,故在一定范围内限制了此法的使用。

(5)自组装技术

自组装技术主要包括Langmuir-buldgett膜法(即LB膜法)、逐层自组装(即LD膜法)和仿生合成等技术。纳米复合材料的自组装技术已成为材料科学研究的前沿和热点。LB膜法是利用具有疏水端和亲水端的两亲性分子在气-液界面的定向性质,在侧向施加一定压力的条件,形成分子的紧密定向排列的单分子膜,再通过一定的挂膜方式均匀地转移到固定载片上,制备出纳米微粒与超薄的有机