石墨烯_碳纳米管协同改性HDPE复合材料的制备及性能_王刚

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(西华大学材料科学与工程学院,四川 成都 610039)
摘要:采用熔融共混法制备了乙 二 胺 (EDA) 共 价 功 能 化 改 性 石 墨 烯 片 (GO-EDA)/酸 化 碳 纳 米 管 (MWNTs- COOH)/高密度聚乙烯接枝马来酸酐 (HDPE-g-MAH) 复合材料。通过拉伸测试、冲 击 测 试, 扫 描 电 镜 (SEM)、 动 态机械分析 (DMA) 及热重分 析 (TGA) 研 究 了 杂 化 填 料 (GO-EDA/MWNTs-COOH) 对 HDPE-g-MAH 的 协 同 增 强-增韧效应及耐热稳定性能的 影 响。 结 果 表 明, 杂 化 填 料 的 加 入 明 显 提 高 了 复 合 材 料 的 力 学 性 能 , 与 纯 HDPE-g- MAH 相比,当杂化填料的质量分数为0.5%时,拉伸强度提高了16%;杂化填料的质量 分 数 为 0.75% 时, 冲 击 强 度 提升了20%。杂化填料在基体中获得均匀分散。 加 入 杂 化 填 料 后 复 合 材 料 的 储 能 模 量 较 基 体 增 大 , 损 耗 模 量 峰 值 向 高温方向移动,复合材料的耐热稳定性能提高。
Abstract:High density polyethylene-g-maleic anhydride (HDPE-g-MAH)based nanocomposites filled with ethylenediamine (EDA)covalently functionalized graphene sheets (GO-EDA)and acidized carbon nanotubes (MWNTs-COOH) were prepared by melt blending. The synergistic strengthening-toughening effects of GO-EDA/MWNTs-COOH hybrid filler on HDPE-g-MAH were investigated by tensile test,impact test,scanning electron microscopy (SEM),dynamic mechanic analysis (DMA)and thermal gravimetric analysis (TGA).The results indicate that the mechanical properties of the nanocomposite are improved obviously when the hybrid filler are incorporated simultaneously.When the hybrid filler content is 0.5wt%,the tensile strength increases by 16% and the impact strength increases by 20% compared to pure HDPE-g-MAH at the hybrid fillers content of 0.75wt%. The hybrid filler is dispersed homogeneously into the HDPE-g-MAH matrix. Additionally,when the hybrid fillers are incorporated,the storage modulus of the composites is higher than that of pure HDPE-g-MAH,the peak of loss modulus shifts to higher temperature,and the thermal stability of the composites is improved as well.
基甲酰 胺 (DMF)、 乙 二 胺 (EDA)、 氨 水 (25% ~ 28%)、无水乙醇 (95%):成都科龙化工试剂厂。 1.2 试 样 制 备
1) 氧化石墨及氧化石墨烯 (GO) 的制备 首先采用改性的 Hummers法 制 备 氧 化 石 墨, 典 型的制备过程如文献 [22] 所述。再将所得氧化石墨 超声分散后得到氧化石墨烯 (GO)。 2) 乙二胺接枝石墨烯 (GO-EDA) 的制备 在盛有 DMF 的烧瓶中加入 一 定 量 的 GO,40 ℃ 下超声处理2h 后, 将 烧 瓶 移 至 磁 力 搅 拌 器上,匀速 搅拌15min,在搅拌的过程中往烧瓶内添加一 定量的 DCC和 DMAP,继续加氨水调节体系的pH 值到适当的 范围后加入适量 EDA。搅拌结束后,将体系放入油浴锅 中缓慢升温到98 ℃进行反应。6h后反应结束并趁热过 滤,并用 DMF洗涤3~5次。所得 GO-EDA 在80 ℃ 下 干 燥 12h 后 研 磨 过 筛 , 保 存 备 用 。 3) 酸化碳纳米管 (MWNTs-COOH) 的制备 称 取 一 定 量 的 MWNTs于 烧 瓶 中, 先 加 入 适 量 的浓硝酸,接着以 浓 硫 酸 ∶ 浓 硝 酸 =3∶1 的 质 量 比 例加 入 浓 硫 酸。 将 烧 瓶 经 超 声 波 处 理,40 min 后 MWNTs均匀 分 散 在 酸 溶 液 中, 再 将 烧 瓶 放 入 油 浴 锅中于60 ℃下酸化处理6h。体系经过滤、洗涤后于 80 ℃下干燥24h,备用。 4) 复合材料的制备 本实验固定 GO-EDA/MWNTs-COOH 的质量比 为1∶1。 将 一 定 量 的 HDPE-g-MAH 加 入 烧 杯 中, 再加 入 不 同 比 例 的 杂 化 填 料 (质 量 分 数 分 别 取 0、 0.25%、0.5%、0.75%、1%), 用 无 水 乙 醇 涂 覆; 待 干 燥 后, 于 熔 融 密 炼 机 中 密 炼 制 备 GO-EDA/ MWNTs-COOH/HDPE-g-MAH 纳 米 复 合 材 料 (密 炼温度160 ℃,时间15min)。 1.3 表 征 及 测 试 SEM 测 试 在 扫 描 电 子 显 微 镜 (JSM-6510LV, 日本电子美国公司)上进行,测试样条的冲击断面, 断面经喷 金 处 理。TGA 测 试 在 热 分 析 仪 (STA449 F3,德国耐驰 公 司 NETZSCH)上进行,升温速率为 20 ℃/min,N2气 氛。DMA 测 试 在 动 态 热 机 械 分 析 仪 (Q800,美国 TA 公司)上进行,双悬臂剪切模式,升 温速率为4 ℃/min。拉伸性能测试在电子万能试验机 (CMT6104,深圳 三 思 纵 横 技 股 份 有 限 公 司)上 进 行, 测试条件:室温;拉伸 速 度 50 mm/min, 每 个 组 分 8~ 10个样,取 平 均 值。冲 击 性 能 在 摆 锤 式 冲 击 试 验 机 (TCJ-25,泰和试验 机 有 限 公 司) 上 进 行 测 试, 试 样 均 洗 V 型缺口,缺口宽度为2mm。
1 实 验 部 分
1.1 实 验 原 料 天然 石 墨 粉 (NGP): 含 碳 量 >99%, 直 径 5
μm,青岛天和石墨有 限 公 司;MWNT:L-MWNTs- 1020,深圳 纳 米 港 科 技 有 限 公 司; HDPE-g-MAH: 接 枝 率 1% ~ 1.5%, 沈 阳 科 通 塑 胶 有 限 公 司; NaNO3、 KMnO4、 H2 O2 (30%)、 浓 H2 SO4 (98%)、 浓 硝 酸、N,N′ - 二 环 己 基 碳 二 亚 胺 (DCC)、4-二甲氨基 吡 啶 (DMAP)、N,N- 二 甲
关键词:高密度聚乙烯;石墨烯;碳纳米管;复合材料;力学性能;热性能 doi:10.3969/j.issn.1005-5770.2016.07.007 中图分类号:TQ325.1 文献标识码:A 文章编号:1005-5770 (2016)07-0027-04
Preparation and Properties of Graphene/Carbon Nanotubes/HDPE Composites
Keywords: High Density Polyethylene; Graphene; Carbon Nanotubes; Nanocomposites; Mechanical Properties;Thermology Properties
高密度 聚 乙 烯 (HDPE) 是 五 大 通 用 塑 料 之 一, 因其价格低廉、化学稳定性高、易于加工成型而广泛
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塑 料 工 业
2016百度文库年
用于薄膜、 管 道 和 包 装 等 领 域。 然 而 HDPE 具 有 的 拉伸强度低、硬度小、耐热稳定性差等不足限制了其 在某些领 域 的 应 用。 因 此, 对 HDPE 的 进 行 改 性 是 非常必要 的。 目 前, 广 泛 报 道 的 HDPE 的 改 性 方 法 主要有化学改性法和物理改性法 。 [1] 化学改性法 是 通 过接枝、交联 等 [2] 手 段 在 HDPE 分 子 链 上 引 入 其 他 基团来改善 其 性 能。 物 理 改 性 法 是 通 过 在 HDPE 基 体中添加另一种无机 或 [3] 有机 组 [4] 分的改性 方 法。 与 化学改性法相比,物理改性法具有工艺简便、更适宜 工业化生产等优点而获得广泛研究,而添加高性能纳 米填 料 已 成 为 物 理 改 性 法 的 主 要 手 段。 石 墨 烯 (GNS) 和碳纳米管 (CNT)因具有优异的力学、电学 和热学等性能[5-12]而广泛应用于填充改性聚合物 。 [13-15] 近年来,研究报道了分别将 GNS和 CNT 作为纳米填料 填充 HDPE基体制备了性能优异的 HDPE 纳米复合材 料[16-18]。尽管单独添加 GNS或 CNT 能改善 HDPE 的 性能,但填料在基体中的团聚仍然是需要解决的难题。 而将准一维的碳纳米管和二维的石墨烯共同使用,则可 以形成在空间上具有三维结构的复合材料,这样不仅增 加了填料与基体的接触面积,还可以发挥石墨烯和碳纳 米管的协同效应,所得的纳米复合材料 拥 有 比 单 种 填 料改性更优异的性能 。 [19-21]
WANG Gang,CHEN Qin,SHEN Ya-jun,LIN Hai-lan,ZHOU Xing, WANG Zheng-jun, XIAO Wen-qiang,BIAN Jun
(School of Materials Science and Engineering,Xihua University,Chengdu 610039,China)
为了探索石墨烯和碳纳米管对聚合物基体的协同 改性作 用, 本 文 先 采 用 Hummers 法 制 备 氧 化 石 墨 烯,并经 乙 二 胺 (EDA) 改 性 得 到 乙 二 胺 接 枝 氧 化 石墨烯 (GO-EDA); 多 壁 碳 纳 米 管 经 过 酸 化 得 到 酸 化 碳 纳 米 管 (MWNTs-COOH)。 并 将 GO-EDA 与 MWNTs-COOH 作为 HDPE-g-MAH 基体的填料,采用 熔 融 共 混 法 制 备 GO-EDA/MWNTs-COOH/HDPE-g- MAH 复合材料,旨在借助于 HDPE-g-MAH 分子链上 的 酸 酐 基 作 为 反 应 点 分 别 与 GO-EDA 的 氨 基 及 MWNTs-COOH 的羧基发生化学作用,以此促进石墨烯 与碳纳米管之间,填料与基体之间的相互作用,达到促 进填料在基体中均匀分散的目的,同时增强填料与基体 的界 面 结 合 力 , 最 终 提 高 复 合 材 料 的 综 合 性 能 。
* 特种材料及制备技术四川省高校重点实验室开放研究基金项目 (szjj2015-084,szjj2015-086), 西 华 大 学 “青 年 学 者 培养计划” 基金 (01201404),西 华 大 学 研 究 生 创 新 基 金 (ycjj2015105,ycjj2016-XXX), 国 家 级 大 学 生 创 新 创 业 训 练 计划项目 (201410623006,201510623033) ** 通信作者 bianjun2003@163.com 作者简介:卞军,男,博士,副教授,硕士生导师,研究方向为功能高分子复合材料。
第 44 卷 第 7 期 2016 年 7 月
塑料工业 CHINA PLASTICS INDUSTRY
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石墨烯/碳纳米管协同改性 HDPE 复合材料 的制备及性能*
王 刚 , 陈 钦 , 申 亚 军 , 蔺 海 兰 , 周 醒 , 王 正 君 , 肖 文 强 , 卞 军 **
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