碳纳米管与橡胶复合材料讨论（PPT35页).ppt

碳纳米管橡胶复合材料 我只看看不玩的 与 碳纳米管的发现是继C60之后碳家族中出现的又一新成员 碳纳米管是由六边形排列的碳原子片层无缝卷曲而成 直径由几埃到几十纳米 这些纳米尺度的管以两种形式存在单壁碳纳米和多壁碳纳米管 碳纳米管自身具备的优异性能使其成为最有潜力的碳材料之一 许多研究将碳纳米管作为填料来补强聚合物 然而由于碳纳米管易团聚 表面能低 各向异性等原因 并没有充分发挥出碳纳米管的优势 因此将碳纳米管与其他填料混合使用 发挥几种填料各自的优势 是近年来研究较多的一个方向 单壁碳纳米管是由一层石墨片层绕中心轴卷曲而成 直径约为1 2nm 其结构完整性较好 缺陷较少 多壁碳纳米管是由几层石墨片层卷曲而成 一般层数在2 50层之间 直径一般在2 100nm 每层之间保持固定距离 约0 34nm 多壁碳纳米管表面含有大量的化学基团 相对比较活泼 碳纳米管自身具备的优异性能使其成为最有潜力的碳材料之一 许多研究将碳纳米管作为填料来补强聚合物 然而由于碳纳米管易团聚 表面能低 各向异性等原因 并没有充分发挥出碳纳米管的优势 因此将碳纳米管与其他填料混合使用 发挥几种填料各自的优势 是近年来研究较多的一个方向 碳纳米管与聚合物基复合材料研究现状与制备 碳纳米管与聚合物基复合材料研究现状 碳纳米管结构稳定 各方面性能突出 最广泛的就是作为补强填料填充聚合物材料 如橡胶 树脂 纤维等 填充形成的纳米复合材料在力学性能 耐磨性 导热性能 导电性能等都有提高 碳纳米管与聚合物复合材料制备方法 熔融共混法 熔融共混法是指在特定的螺杆挤出机中 利用螺杆的强剪切高效混合 使得碳纳米管在熔融状态下的聚合物基体中得以较好的分散 聚合物熔体冷却后便可制备出碳纳米管 聚合物复合材料 熔融共混是产生碳基纳米复合材料的一种简便方法 其特点是生产快速和环境效益高 是一种无溶剂过程 碳纳米管与聚合物复合材料制备方法 溶液共混法 溶液共混法是制备碳纳米管基聚合物基复合材料最常用的技术之一 将碳纳米管分散在合适的溶剂中 碳纳米管与聚合物溶液混合 通过沉淀或浇铸膜来回收复合材料 溶液共混法的优点在于简单的工艺流程 它所制备的碳纳米管与聚合物复合材料中碳纳米管的分散性要优于熔融法 碳纳米管与聚合物复合材料制备方法 利用强氧化剂 高能射线等手段使碳纳米管的表面生成轻基 梭基等活性基团 这些活性基团与聚合物单体的官能团进行反应 随单体的聚合反应的进行 使碳纳米管也参与到聚合反应中 从而达到使碳纳米管和聚合物基体聚合为一体的复合方法 由于碳纳米管本身就 镶嵌 于聚合物基体中 因此碳纳米管的分散程度和相容程度比以上的溶液共混法和熔融共混法都要高 并且复合材料的结构稳定性更高 原位生成法 碳纳米管的长径比对橡胶复合材料性能的影响 碳纳米管的长径比对橡胶复合材料性能的影响 碳纳米管的特点是纳米尺寸级的直径 长度远大于直径 是一种高长径比 高比表面积的准一维纳米材料 其长径比 比表面积与聚合物的界面结合程度不同 而不同长径比的碳纳米管填充补强效果不同 因此碳纳米管的长径比等尺寸类型对复合材料性能有很大影响 多壁碳纳米管 由山东大展纳米材料有限公司采用改性催化碳气相沉积法 CCVD 制备 四种碳纳米管的具体参数如表所示 炭黑N234 天然橡胶NR 顺丁橡胶BR 白炭黑7000GR 硅烷偶联剂Si69 实验原料 双辊开炼机转矩流变仪平板硫化机无转子硫化仪万能试验机邵氏硬度仪门尼黏度仪 设备及测试仪器 硫化胶的制备 将上述混炼胶在无转子硫化仪上进行测试 根据硫化曲线确定硫化时间和温度 试样在平板硫化机上硫化 硫化温度为150 硫化时间为15min 模压硫化成型厚度约为2mm的薄片 停放待后续测试 混炼胶的制备 先将天然橡胶在开炼机上塑炼成片状 再用密炼机进行混炼 1 2 3区温度均为80 转子转速80r min 加料顺序为NR BR 配合剂 白炭黑和硅烷偶联剂 炭黑 排胶温度设为130 随后在开炼机上进行硫磺的分散和薄通塑炼 薄通时的辊距为0 5mm 薄通时打三角包 以便胶料混合均匀 辊温为40 70 薄通一定次数后 将辊距调至约3mm 下片 由图可以看出 GT200 GT600混炼胶的门尼勃度随着碳纳米管比表面积的减小而先增大后减小 原因是随着碳纳米管比表面积的增大 碳纳米管与橡胶的接触面积越大 物理吸附作用越强 形成的界面力就越强 会更加限制橡胶大分子链的运动 流动性降低 所以整体上呈下降趋势 但用碳纳米管为GT 200 虽然比表面积最大 但GT 300的长度大于GT 200 较长的碳纳米管易与橡胶大分子链相互缠结 对分子链的限制作用更大 比长度短的碳纳米管在结合橡胶上有优势 所以GT300混炼胶的门尼勃度最高 门尼黏度测试 添加不同种类碳纳米管的硫化胶化的拉伸强度 添加GT 300的硫化胶比添加GT 200碳纳米管的拉伸强度提高4 82 与其长径比 比表面积相关 而添加GT 600碳纳米管的硫化胶拉伸强度最高 原因可能是其碳纳米管内径最大 较粗的碳纳米管比较细的碳纳米管易于分散 不易缠结成团 在橡胶中分散均匀 而较细的碳纳米管缠结成团易形成应力集中点 受到拉伸时最易断裂 造成拉伸强度较GT 600的低 添加不同种类碳纳米管的硫化胶化的断裂伸长率 添加GT 300 GT 400碳纳米管的断裂伸长率较低 分析可能是GT 300 GT 400碳纳米管较大的比表面积和长度对橡胶分子链的限制能力较强 分子链柔顺性降低 因而其断裂伸长率较低 而管长很短的GT 200对橡胶分子链限制能力很弱 对分子链伸长造成阻碍较弱 因此断裂伸长率最高 管径较粗的GT 600对分子链的限制能力低于GT 400 因此其断裂伸长率稍高 由图看出 硬度相差较小 添加GT200碳纳米管硬度最低 GT 200与GT 300管径相同 管长相差较大 可见较小的管长使碳纳米管与橡胶的界面结合明显低于长碳纳米管与橡胶的结合力 硬度测试 通过橡胶各类性能的对比 碳纳米管的补强作用不仅与其长径比有关 而且与比表面积也有关 长径比较大的碳纳米管会与橡胶分子链产生缠绕网络来增强橡胶性能 而比表面积大的碳纳米管会与橡胶产生较好的界面结合力 以达到补强效果 不同种类的碳纳米管长径比和比表面积不同 这是影响橡胶与填料结合性的最主要因素 也是对橡胶性能影响最大的因素 长径比和比表面积最大的GT300类型的碳纳米管填充的橡胶的门尼勃度 硬度是最强的 拉伸强度位居第二 因此是补强综合性能最强的碳纳米管 碳纳米管的长径比对橡胶复合材料性能的影响 实验结论 碳纳米管与炭黑的配比对橡胶复合材料性能的影响 碳纳米管与炭黑的配比对橡胶复合材料性能的影响 橡胶材料的经典填料是炭黑和白炭黑 近年来性能优异的填料层出不穷 而碳纳米管就是其中补强性能杰出的一种 碳纳米管的轴向导热导电性能优异 而高聚物中只填充碳纳米管时 各方面性能并不理想 所以碳纳米管与其他填料混合使用是一种有效途径 实验配方 实验配方 碳纳米管与炭黑减少量的配比 门尼黏度测试 如表可得出 除没有添加碳纳米管外 混炼胶的门尼黏度随着填料比例的增大而降低 当比例为1 1时添加5phr碳纳米管 使门尼黏度大大提高 表明橡胶的分子量增大 加工难度增大 碳纳米管自身的高模量使橡胶弹性增大 随着填料比例的增大 呈不断下降趋势 因为碳纳米管的质量不变 炭黑不断减少 炭黑形成的结合胶也就会随之减少 橡胶大分子链受到的限制减少 所以橡胶的粘度 弹性都降低 拉伸强度 如图所示 除没有添加碳纳米管的橡胶 橡胶的拉伸强度随填料比例的增大而减小 而添加5phr碳纳米管比例为1 1的橡胶力学性能有很大改善 因为碳纳米管自身模量高 长径比高 比表面积大 与橡胶分子链相互缠绕或吸附形成交联点 从而提高橡胶的力学性能 硬度和断裂伸长率 如图所示 除没有添加碳纳米管的橡胶 断裂伸长率呈上升趋势 随填料比例的增大 填料总量减少 碳纳米管与炭黑对橡胶分子链的限制程度也降低 所以断裂伸长率升高 而填料与橡胶形成的物理交联点也减少 补强作用减弱 所以其他力学性能逐渐下降 断裂伸长率 硬度 用碳纳米管代替等量 1 1 炭黑时 橡胶的总体性能呈现最好状态 当一定质量的碳纳米管代替更多的炭黑时 橡胶的其他各类性能呈下降趋势 门尼黏度随着炭黑减少是减小的 说明橡胶的流动性提升 碳纳米管与炭黑的配比对橡胶复合材料性能的影响 实验结论 总结 我们探究了CB NR BR复合材料中填充碳纳米管后对橡胶的影响 确定工艺条件后 探究碳纳米管不同长径比对CB NR BR复合材料性能的影响情况 继而探究了碳纳米管和炭黑的配比对橡胶性能的影响 1 添加碳纳米管的橡胶与不添加的橡胶性能有很大差异 添加碳纳米管使橡胶的整体性能提升 加入碳纳米管后橡胶的硫化时间缩短 有利于加工 加入碳纳米管后橡胶的耐磨性 撕裂强度 硬度有大幅度提升 但碳纳米管的加入同时也会导致门尼黏度上升 拉伸强度稍有降低 断裂伸长率降低 2 长径比 比表面积越大的碳纳米管对橡胶的拉伸性能改善效果越好 长径比大的碳纳米管更容易与橡胶分子链发生缠结 形成物理交联点 在受到外力时这些物理交联点能够帮橡胶分子链分担一部分破坏力 因此长径比最高的碳纳米管GT300的补强效果整体最佳 3 碳纳米管不等量地代替炭黑比只有炭黑的原配方补强效果好 碳纳米管代替等量 1 1 炭黑时 橡胶的拉伸性能呈现最好状态 谢谢 我只看看不玩的 聚合物基复合材料讨论课