聚碳酸酯复合材料的制备与性能.pdf

_ l i _ _ 堕 立 竺 ! 短 多壁碳 纳米管 聚碳 酸酯 复合材料 的制 备与性 能 赵元旭李安冯跃战王波 刘 春太 ( 郑州大学材料科 学与工程学院 ， 橡 塑模 具国家工程研究 中心 ， 河南 郑州 ， 4 5 0 0 0 1 ) 摘要 ： 采用模压 法制备 了短多壁碳纳米管 聚碳 酸酯( s MWNT P C ) 和羧基化短多壁碳纳米管 聚碳 酸酯 ( s OMWNT P C ) 复合材料 ， 并对 2 种 复合材 料的热稳定性 和拉伸性能进 行了研究 。结果 表明 ： 与纯 P C相 比， s MWNT P C复合材料 的热稳定 性 和拉伸性能均有明显下降 ， 而 s OMWNT P C复合材料则能够在保 持 P C原有 热稳定性 的同 时显 著提高其 力学性 能 ， 其屈 服强度和拉伸强度最大提高幅度分别为 1 2 9 和 1 2 8 。动态力学性能结果 表明 ： s OMWNT P C复合材料玻璃 态时的储 能模 量随着 s OMWNT含量 的增加而增大 ， 玻璃化转变温度则表现 出相反的趋势 。 关键 词 ： 短多壁碳纳米管 聚碳 酸酯 复合材料 热稳定性 力学性 能 Pr e pa r a t i o n a n d Pr o p e r t y o f S h o r t M u l t i wa l l e d C a r b o n N a n o t u b e P o l y c a r b o n a t e C o mp o s i t e s i ； Z h a o Y u a n x u L i A n F e n g Y u e z h a n Wa n g B o L i u C h u n t a i i j( C o l l e g e o f Ma t e r ia l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，Z h e n g z h o u Un i v e r s i t y ， ： ： Na t i o n a l En g i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r f o r Pl a s t i c Mo l d，Z h e n g z h o u，He n a n，4 5 0 0 0 1 ) ： ； A b s t r a c t ： S h o r t m u l t i w a l l e d c a r b o n n a n o t u b e p o l y c a r b o n a t e( s M WN T P C )a n d c a r _ i b o x y l a t e d s h o r t mu l t i w a l l e d c a r b o n n a n o t u b e p 0 1 y c a r b o n a t e ( s O MWNT P C ) c o m p o s i t e s i ：we r e p r e p a r e d b y c o mp r e s s i o n mo l d i n g Th e t h e r ma l s t a b i l i t y a n d t e n s i l e p r o p e r t i e s o f： s MWNT PC a n d s OMW NT we r e i n v e s t i g a t e d , r e s p e c t i v e l y Th e r e s u l t s s h o w t h a t ，e o m ； p a r e d w i t h p u r e P C ， t h e t h e r m a l s t a b i l i t y a n d t e n s il e p r o p e r t i e s o f s MWN T P C c o m p o s i i t e s d e c r e a s e ，Ho we v e r ，t h e s OMW NT P C c a n e f f e c t i v e l y e n h a n c e t h e me c h a n i c a l p r o p e r 一： ：t i e s o f c o mp o s i t e s wi t h o u t d e t e r i o r a t i n g t h e r ma l s t a b i l i t y Th e ma x i mu m i mp r o v e me n t s： ； f o r t h e y i e l d s t r e n g t h a n d t e n s i l e s t r e n g t h o f s O M W N T P C c o m p o s i t e s a r e 1 2 9 a n d i 1 2 8 ，r e s p e c t i v e l y T h e d y n a m i c m e c h a n i c a l p r o p e r t y o f s O M WN T P C c o m p o s i t e s i s h o w t h a t t h e s t o r a g e mo d u l u s i n c r e a s e s wi t h i n c r e a s i n g s OMW NT c o n t e n t a n d t h e g l a s s： t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e e x h ib i t e s a n o p p o s i t e t r e n d i Ke y wo r d s： s h or t mul t i wa i l e d c a r b o n n a no t u be； p ol y c a r b o na t e； c o m p os i t e s； t h e r m a l V ：s t a b i l i t y；me c h a n i c a l p r o p e r t y ： I IIt l lI llt。 lltll lIIttt。I ltt t It tlttt IIttt Itl 聚碳酸酯( P C ) 是一种综合性能优异的热塑性 工程 塑 料 ， 具有 优 良的光 学性 能 、 力学 性能 、 尺 寸稳 定 性等 优点 ， 已得到 广 泛 的应 用 I 1 。然 而 ， 对 于一 些 特 殊 的 领 域 例 如 建 筑 、 汽车 、 航 空 航 天 等 ， 需 要 P C具有 更 高 的力 学性 能 ， 纳 米 粒 子 填 充 改性 已成 为 改 善 P C 性 能 的 有 效 途 径 之 一 。 碳 纳 米 管 ( c NTs ) 作为一类新型纳米填料 ， 因其 自身优异 的 物理和化学性能 ， 被认为是制备聚合物基纳米复合 材料 的最佳选择之一 ， 尤其是利用其极高的强度和 模量 以及优异 的导电性能制备增强 和导 电复合材 料 。因此 ， 对 P C进行 C NTs 填充改性从而制备高 性 能 复 合 材 料 已 引 起 科 学 和 工 程 领 域 的 广 泛 收稿 日期 i 2 0 1 4 0 7 1 8 修改稿 收到 日期 ： 2 0 1 5 0 5 2 6 。 作者简介 ： 赵元旭 ， 男 ( 1 9 9 O 一) ， 硕士研 究生 ， 研究方 向为聚 合物 纳米 复合 材 料结 构 与性 能 。E ma i l ： z h a o y u a n x u g 0 1 2 6 e om *通信联 系人 ， E - ma i l ： b o wa n g 骝u e d u c n 基金项 目： 国家 自然科学基金资 助项 且( 1 1 1 7 2 2 7 1 ) ； 河 南省 教育厅科学技术研究重点项 且( 1 3 A4 3 0 6 4 1 ) 。 赵元旭等 短多壁碳纳米管 聚碳 酸酯复合材料 的制备 与性能 关 注 J 。 目前 短 多壁碳 纳 米管 ( s MWNT) ， 特别 是 羧 基 化 短 多壁 碳 纳米管 ( s OMWNT) 增 强 P C基 体 的研 究却 鲜 有 报 道 ， 因而 有 必 要 对 s MWNT( s OM W NT) P C复合 材 料 体 系进 行 研 究 和 探 讨 。下 面 利 用 溶 液 共 混 法 制 备 了 s MWNT ( s OMWNT) P C复合材料母料 ， 然后熔融共混稀释母料进而得 到不同碳纳米管含量的复合材料粒料， 最后采用模 压法制备出复合材料试样。在此基础上 ， 对复合材 料热稳定性 、 拉伸性能和动态力学性能进行了深入 研 究 。 1 试 验部 分 1 1 试 验 原料 s MW NT， 化 学 气 相 沉 积 ( C VD) 工 艺 制 备 ， 挤 压研 磨 切短 ， 长 度 0 5 2 0 p m ， 直 径 5 8 n m， 纯度大于 9 5 ， 堆积密度 0 2 7 g c m。 ， 中 国科学 院成 都 有 机 化 学 有 限 公 司 ； s OMWNT， 参 数 同 s MWNT， 羧 基含 量 3 8 6 ， 中 国科 学 院成 都 有 机 化 学有 限公 司 。P C， 通 用 级 W o n d e r l i t e P C 一 1 1 0 ， 台 湾奇美 实 业 股 份 有 限公 司 ； 四氢 呋 喃 ( THF ) 与 甲醇 ， 天 津市 富宇 精 细化工 有 限公 司 。 1 2复合 材料 制备 与表 征 1 2 1 复合 材料 的制备 将 P C粒料 放 人真 空烘 箱 于 1 0 0 干 燥 1 0 h 后备用 ； 将 8 g P C溶于 THF中制成 P C溶液， 2 g 碳纳米管在 THF中超声 分散制成碳纳米管 分散 液 ， 二者混合后继续超声分散 1 h ， 然后加入过量 甲醇沉淀析出复合材料 ， 过滤并在真空烘箱中干燥 至恒 重 ， 即可 制 备 碳 纳 米 管 质 量 分 数 为 2 O 的 复 合材料母料 。将一定配 比的纯 P C与复合材料 母 料 通 过在 微型 双螺 杆 挤 出机 ( S J S Z 一 1 0 A， 武 汉 瑞 鸣 塑料机 械 有 限公 司) 进 行 2遍 熔 融 混 合 ( 熔 体 温 度 2 4 0， 螺杆转速 3 O r rai n ) ， 得到碳纳米管质量 分 数分 别 为 1 和 3 的 s MwNT( s oMwNT) P C复合材料粒料 ； 将制得 粒料在 真空压机 ( 北 京 富友 马科 技有 限 公 司 ) 上 压 制 成 厚 度 为 1 mm 的 复合材料板材 ， 模压温度 2 4 0。 C， 压力 1 5 MP a 。 1 2 2性 能测试 傅里叶 变换 红外 光 谱 ( F T I R) ： 碳 纳 米 管 和 KB r 混合研磨压片 ， 在 F TI R( NI C OL E T 6 7 0 0型) 上进 行表 征。光 谱分 辨率 为 4 c m_ 。 ， 扫 描 范 围 6 00 4 5 00 c m _。 。 热重分 析 ( T GA) ： 将 1 0 mg试 样置 于坩 埚 中 ， 在 氮气 保 护 下 ， 以 1 0 rai n从 室 温 升 至 7 0 0 进行 测 试 。 拉 伸性 能测试 ： 用 哑铃 型裁 刀在 复合 材料 板材 上 裁 出 哑 铃 型 试 样 。 拉 伸 性 能 按 照GB T 1 0 4 0 3 2 O 0 6测试 ， 拉伸 速率 2 0 mm mi n 。测 试 5根试样 ， 求其平均值。 动 态力学 性 能测试 ： 在 美 国 TA Q8 0 0型动 态 力学分析仪( D MA) 上测试纯 P C及其复合材料 的 动 态 力 学 性 能 ， 试 样 尺 寸 3 5 mm 1 0 mm 1 mm。 采 用单 轴 拉 伸 模 式 ， 振 动 频 率 1 Hz ， 振 幅 1 5 m， 以 3 o C mi n从 室温升 至 1 8 0 。 2结果 与讨 论 2 1 碳纳米管的 F T I R与 T G A表征 图 1是 s MWNT和 s OMWNT的 F TI R谱图 和 T GA 曲线 。 1 O 0 0 1 5 0 0 2 O 0 0 2 5 0 o 3 0 0 0 3 5 0 0 4 O 0 0 波数 ( a )F T I R 图 1 碳纳米管 的 F T I R和 T G A分析 如 图 1( a )所 示 ， s OMWNT 在1 7 2 5 和 1 1 6 5 c m 处的 C二 O和 C O伸缩振动吸收峰 罅 船畿嘲峰 赵元旭等 短多壁碳纳米管 聚碳酸酯复合材料的制备与性 能 材料 的力 学性 能 。 2 4复 合材 料 的动 态力 学性 能 图 4是 s OMWNT P C复合材料 的储 能模量 和损 耗 因子 随温度 变 化 的曲线 。 2 5 Z 0 1 5 圜 簧1 o 0 5 0 1 l 2 o l l 6 0 温度 ( b )损耗医于 图 4 s O MWN T P C复合材料 的储 能模 量和损耗 因子 高填充的热塑性弹性体 据“ w ww p t o n l i n e c o m” 报 道 ， 伊利 诺 伊 州 罗 彻 斯 特 E l a s t o c o n T P E科技有 限公 司开 发出 2种高填充 的热塑 性 弹性体 ( T P E) ， 这 2种新 型含有易 着色 添加剂 的通 用热 塑 性弹性 体为 8 0 5 5系列 产品 ， 密度 为 1 6 O ， 1 8 9 g c m。 ， 邵 氏 A硬 度为 5 5和 6 5 ， 它们 成 本相 对较 低 不超 过 2$ l b ( 约 4 4 1$ k g ) ， 作为 医 疗设 备 用 ， 具 有 耐划 伤 和 抗 ( 表 面) 擦 伤性及不 透 x射 线 的特性 ， 其他 潜在 应用 涉及 锥形 交通路标 、 吊带 、 运 动休闲产品和垃圾处置排水塞 等方面 。 食 品容 器和 儿 童玩具 用 的新 型 热塑 性弹 性体 据“ www p t o n l i n e c o m” 报道 ， T e k n o r Ap e x公 司在德 国 F a k u ma展会上展示 了一 系列用热 塑性 弹性体制备 的与 食品直接接触 容 器 、 厨房 用 的餐 具 以及儿 童 的毛 绒玩 具 ， 符合 美国和欧洲 的法规要求 。Mo n p r e n e RG - 1 0 1 0 0系列热 塑性弹性体用 于注射成 型 ， R G - 2 0 1 0 0系列热塑性弹性体用 于挤 出成型 ， 它 们 肖氏 A硬度分别 为 4 O ， 8 O ， 适用于模制 的 从 图 4 ( a ) 可 以看 出 ， 3 s OMWNT P C 复合 材 料 在玻璃 态 时 的储 能模 量 明显 高于纯 P C和 1 s OMwNT P C复合材料 的。与纯 P C相 比， 其 在 4 o时储能模 量提高 了 1 5 。由图 4 ( b ) 可知 ， s OMWNT P C复 合 材 料 的玻 璃 化 转 变 温 度 随着 s OMWNT含 量增 加而 降低 。 3 结论 a ) 与纯 P C相 比，s MwNT P C复合材料的 热稳定性和拉伸性能均有明显下降。 b ) 与纯 P C相 比 ， s OMWNT P C复 合 材 料 在保持 P C原有热稳定性 的同时显著提高 了其力 学 性能 。 c ) s OMwNT P C复合材料 的储能模 量 随 着 s OMWNT含量 的增加 而增加 ， 但玻璃 化转变 温 度 则 随 着 s O MWNT 含 量 增 加 而 呈 现 下 降 的 趋 势 。 参 考 文 献 1 祝芳南 ， 曾效舒， 周勇聚碳 酸酯 多壁碳纳米 管复合材料 的 制备和研究 J 塑料工业 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 8 ) ： 1 7 - 1 9 r 2 Ca s t i l l o F Y， S o c h e r R， Kr a u s e B El e c t r i c a l ，me c ha n i c a l ， a n d g l a s s t r a ns i t i o n b e h a v i o r o f p o l y c