材料物理与化学专业毕业论文[精品论文]多壁碳纳米管表面修饰及其热塑性聚合物基复合材料的研究

1、材料物理与化学专业毕业论文 精品论文 多壁碳纳米管表面修饰及其热塑性聚合物基复合材料的研究关键词：碳纳米管 聚碳酸酯 复合材料 纯化改性 界面粘接 表面修饰 热塑性聚合物摘要：碳纳米管作为一种独特的纳米结构材料，具有出众的物理性能和机械性能，比如极高的塑性模量、优异的导电和导热性能，这使其成为复合材料设计关注的焦点。正因为如此，最近掀起了研究碳纳米管增强聚合物基复合材料的热潮。但是，碳纳米管固有的表面惰性和不溶解性，使它难分散在溶液和聚合物基体中，在某种程度上来说，这阻碍了碳纳米管在聚合物复合材料领域的应用。 研究发现，对碳纳米管进行表面化学改性，是使碳纳米管在溶液和聚合物基体中实现较好分散的

2、有效途径。 因此，本研究工作首先选择恰当的碳纳米管纯化处理工艺，使碳纳米管表面生成大量的活性基团(如羟基、羧基)； 再利用这些活性基团与有机小分子(或聚合物单体)反应，在碳纳米管表面接枝有机分子链； 然后用接枝改性的碳纳米管，通过溶液混合法或熔融混合法制备成复合材料。探讨了纯化方法和改性过程对碳纳米管性能的影响，并对复合材料的性能进行了研究，发现了一些重要的规律，可以为聚合物.碳纳米管复合材料的研究和生产提供实验指导。 第一，首次采用氯氧化法提纯多壁碳纳米管(mwcnts)，此方法主要由氯水处理和氨水处理两个步骤组成，它同时具备气相氧化法、液相氧化法和酸处理法三者的优点。因此从应用的角度来看，

3、此方法简单、能够满足工业上大规模纯化碳纳米管的需求。透射电镜(tem)观察发现：经过氯氧化纯化处理后，原始碳纳米管表面的无定形碳层、纳米碳颗粒和催化剂颗粒被除去，而且封闭的端口被打开。x-ray能量散射光谱分析法研究表明：原始碳纳米管的催化剂元素ni、mo和mg含量分别为2.37、3.58和0.91wt；而纯化碳纳米管(p-mwcnts)中未检测到mg和mo，ni的含量也降到了0.15wt。此外，氯氧化法纯化使p-mwcnts表面生成了大量羟基、羧基和c-cl，这大大提高了p-mwcnts在溶剂(如：水、乙醇、丙酮、氯仿和二甲基甲酰胺)中的分散能力。因此，可以以这些基团为基础，通过化学反应对p

4、-mwcnts表面进行改性。 第二，以p-mwcnts表面的羟基为基础，与4-氯甲基苯乙烯反应，在碳纳米管表面接枝苯乙烯基团。然后使苯乙烯基接枝改性碳纳米管(s-mwcnts)参与苯乙烯的聚合反应，在其表面接枝聚苯乙烯(ps)分子链，得到ps接枝改性碳纳米管(g-mwcnts)。研究显示：g-mwcnts表面的ps层厚度大约5nm，接枝率为20wt。经过接枝改性后，g-mwcnts与弱极性溶剂(甲苯、四氢呋喃)的相容性提高。接着通过溶液混合法制备了ps-p-mwcnt、ps-s-mwcnt和ps-g-mwcnt三种复合材料。扫描电镜(sem)观察发现：由于ps层的包裹，g-mwcnts与ps基

5、体的相容性大大提高，因此能在基体中比较均匀的分散；随着碳纳米管含量的增加，ps-g-mwcnt复合材料的断裂方式由脆性断裂逐渐转向韧性断裂。机械性能和热性能研究表明：随着碳纳米管含量的增加，ps-p-mwcnt、ps-s-mwcnt和ps-g-mwcnt三种复合材料的冲击强度、拉伸强度和热稳定温度都呈上升趋势；由于具有良好的界面相容性和均匀分散的碳纳米管，在三种复合材料中，ps-g-mwcnt复合材料的机械性能和热性能最优。当碳纳米管含量为1.5wt时，ps-g-mwcnt复合材料的冲击强度和拉伸强度，较纯ps分别提高了38.8和33.6，耐热温度也提高了25。 第三，在p-mwcnts存在的

6、条件下，微波辐射引发苯乙烯的聚合，得到ps改性的碳纳米管(m-mwcnts)。研究发现m-mwcnts外壁的ps包裹层厚度约为3nm，占m-mwcnts总质量的10；改性机理为：在微波辐射下，p-mwcnts表面的基团(-h、-ch2oh、-ch2cl和-ch3)被活化并参与苯乙烯的聚合反应，从而在碳纳米管表面共价接枝ps层。分散性实验证明微波辐射得到的共价结合ps层能够与mwcnts牢固粘接，不会被溶剂洗脱；而在其它实验条件相同，改用传统加热方式来改性mwcnts时，ps只能与mwcnts非共价结合，并且可以被溶剂洗脱。然后用溶液混合法制备出碳纳米管含量为20 wt的ps-p-mwcnt色母

7、料和ps-m-mwcnt色母料。接着在挤出机和注塑机(工业生产用)上熔融混合色母料和纯ps，制备出ps-p-mwcnt复合材料和ps-m-mwcnt复合材料。sem观察发现：在ps-m-mwcnt复合材料中，碳纳米管被两种ps层包裹，一种是改性过程中形成的接枝ps层，另一种是存在于接枝ps层和ps基体之间的ps中间层，其平均厚度为80nm；而在ps-p-mwcnt复合材料中，没有检测到类似的ps中间层。通过tem的进一步研究证明：在ps-m-mwcnt复合材料中，碳纳米管呈单根分散状态并沿着成型时的熔体注射方向取向；而在ps-p-mwcnt复合材料中，虽然碳纳米管也是单根分散在ps基体中，但是

8、其排列方式是杂乱无章的。由于接枝ps层和ps中间层的存在，使碳纳米管和ps基体的相容性提高、界面粘接强度增加，因此ps-m-mwcnt复合材料的机械性能和热性能都优于ps-p-mwcnt复合材料。例如，当碳纳米管含量为0.32wt时，ps-m-mwcnt复合材料的冲击强度较纯ps提高了150，而ps-p-mwcnt复合材料仅提高50。 第四，为了证明碳纳米管表面改性技术具有普遍适应性，还研究了聚碳酸酯(pc)-碳纳米管复合材料的制备及其性能。首先通过溶液混合回流法制备了pc色母料，目的是利用马来酸酐(mah)中双键和酸酐基的反应活性，将pc分子链共价接枝到碳纳米管表面，改善碳纳米管和pc基体的

9、相容性。 然后用熔融混合法，在双螺杆挤出机和注塑机上制备了公斤级pc-mwcnt复合材料。sem研究显示：碳纳米管是以棒状的聚集体形式均匀分散在pc基体中，此聚集体由少数几根碳纳米管组成，其直径大约500nm；而且，棒状聚集体沿着注塑成型时的熔体注射方向取向。 在碳纳米管的诱导下，pc分子链在其附近规整排列，从而在pc-mwcnt复合材料内部形成大量微晶区，这使复合材料的热稳定性能大大提高。当碳纳米管含量0.32wt时，pc-mwcnt复合材料的冲击强度较纯pc提高了60，热稳定温度较纯pc提高了30。 总之，以上研究说明：以纯化碳纳米管表面活性基团(羟基、羧基、活泼氢等)为基础进行化学改性，

10、这种工艺是可行的；碳纳米管经过改性后，可以提高其在溶液和聚合物基体中的分散性能，增强碳纳米管-聚合物界面的粘接强度，从而大大提高聚合物-碳纳米管复合材料的综合性能。正文内容 碳纳米管作为一种独特的纳米结构材料，具有出众的物理性能和机械性能，比如极高的塑性模量、优异的导电和导热性能，这使其成为复合材料设计关注的焦点。正因为如此，最近掀起了研究碳纳米管增强聚合物基复合材料的热潮。但是，碳纳米管固有的表面惰性和不溶解性，使它难分散在溶液和聚合物基体中，在某种程度上来说，这阻碍了碳纳米管在聚合物复合材料领域的应用。 研究发现，对碳纳米管进行表面化学改性，是使碳纳米管在溶液和聚合物基体中实现较好分散的有

11、效途径。 因此，本研究工作首先选择恰当的碳纳米管纯化处理工艺，使碳纳米管表面生成大量的活性基团(如羟基、羧基)； 再利用这些活性基团与有机小分子(或聚合物单体)反应，在碳纳米管表面接枝有机分子链； 然后用接枝改性的碳纳米管，通过溶液混合法或熔融混合法制备成复合材料。探讨了纯化方法和改性过程对碳纳米管性能的影响，并对复合材料的性能进行了研究，发现了一些重要的规律，可以为聚合物.碳纳米管复合材料的研究和生产提供实验指导。 第一，首次采用氯氧化法提纯多壁碳纳米管(mwcnts)，此方法主要由氯水处理和氨水处理两个步骤组成，它同时具备气相氧化法、液相氧化法和酸处理法三者的优点。因此从应用的角度来看，此

12、方法简单、能够满足工业上大规模纯化碳纳米管的需求。透射电镜(tem)观察发现：经过氯氧化纯化处理后，原始碳纳米管表面的无定形碳层、纳米碳颗粒和催化剂颗粒被除去，而且封闭的端口被打开。x-ray能量散射光谱分析法研究表明：原始碳纳米管的催化剂元素ni、mo和mg含量分别为2.37、3.58和0.91wt；而纯化碳纳米管(p-mwcnts)中未检测到mg和mo，ni的含量也降到了0.15wt。此外，氯氧化法纯化使p-mwcnts表面生成了大量羟基、羧基和c-cl，这大大提高了p-mwcnts在溶剂(如：水、乙醇、丙酮、氯仿和二甲基甲酰胺)中的分散能力。因此，可以以这些基团为基础，通过化学反应对p-

13、mwcnts表面进行改性。 第二，以p-mwcnts表面的羟基为基础，与4-氯甲基苯乙烯反应，在碳纳米管表面接枝苯乙烯基团。然后使苯乙烯基接枝改性碳纳米管(s-mwcnts)参与苯乙烯的聚合反应，在其表面接枝聚苯乙烯(ps)分子链，得到ps接枝改性碳纳米管(g-mwcnts)。研究显示：g-mwcnts表面的ps层厚度大约5nm，接枝率为20wt。经过接枝改性后，g-mwcnts与弱极性溶剂(甲苯、四氢呋喃)的相容性提高。接着通过溶液混合法制备了ps-p-mwcnt、ps-s-mwcnt和ps-g-mwcnt三种复合材料。扫描电镜(sem)观察发现：由于ps层的包裹，g-mwcnts与ps基体

14、的相容性大大提高，因此能在基体中比较均匀的分散；随着碳纳米管含量的增加，ps-g-mwcnt复合材料的断裂方式由脆性断裂逐渐转向韧性断裂。机械性能和热性能研究表明：随着碳纳米管含量的增加，ps-p-mwcnt、ps-s-mwcnt和ps-g-mwcnt三种复合材料的冲击强度、拉伸强度和热稳定温度都呈上升趋势；由于具有良好的界面相容性和均匀分散的碳纳米管，在三种复合材料中，ps-g-mwcnt复合材料的机械性能和热性能最优。当碳纳米管含量为1.5wt时，ps-g-mwcnt复合材料的冲击强度和拉伸强度，较纯ps分别提高了38.8和33.6，耐热温度也提高了25。 第三，在p-mwcnts存在的条

15、件下，微波辐射引发苯乙烯的聚合，得到ps改性的碳纳米管(m-mwcnts)。研究发现m-mwcnts外壁的ps包裹层厚度约为3nm，占m-mwcnts总质量的10；改性机理为：在微波辐射下，p-mwcnts表面的基团(-h、-ch2oh、-ch2cl和-ch3)被活化并参与苯乙烯的聚合反应，从而在碳纳米管表面共价接枝ps层。分散性实验证明微波辐射得到的共价结合ps层能够与mwcnts牢固粘接，不会被溶剂洗脱；而在其它实验条件相同，改用传统加热方式来改性mwcnts时，ps只能与mwcnts非共价结合，并且可以被溶剂洗脱。然后用溶液混合法制备出碳纳米管含量为20 wt的ps-p-mwcnt色母料

16、和ps-m-mwcnt色母料。接着在挤出机和注塑机(工业生产用)上熔融混合色母料和纯ps，制备出ps-p-mwcnt复合材料和ps-m-mwcnt复合材料。sem观察发现：在ps-m-mwcnt复合材料中，碳纳米管被两种ps层包裹，一种是改性过程中形成的接枝ps层，另一种是存在于接枝ps层和ps基体之间的ps中间层，其平均厚度为80nm；而在ps-p-mwcnt复合材料中，没有检测到类似的ps中间层。通过tem的进一步研究证明：在ps-m-mwcnt复合材料中，碳纳米管呈单根分散状态并沿着成型时的熔体注射方向取向；而在ps-p-mwcnt复合材料中，虽然碳纳米管也是单根分散在ps基体中，但是其

17、排列方式是杂乱无章的。由于接枝ps层和ps中间层的存在，使碳纳米管和ps基体的相容性提高、界面粘接强度增加，因此ps-m-mwcnt复合材料的机械性能和热性能都优于ps-p-mwcnt复合材料。例如，当碳纳米管含量为0.32wt时，ps-m-mwcnt复合材料的冲击强度较纯ps提高了150，而ps-p-mwcnt复合材料仅提高50。 第四，为了证明碳纳米管表面改性技术具有普遍适应性，还研究了聚碳酸酯(pc)-碳纳米管复合材料的制备及其性能。首先通过溶液混合回流法制备了pc色母料，目的是利用马来酸酐(mah)中双键和酸酐基的反应活性，将pc分子链共价接枝到碳纳米管表面，改善碳纳米管和pc基体的相

18、容性。 然后用熔融混合法，在双螺杆挤出机和注塑机上制备了公斤级pc-mwcnt复合材料。sem研究显示：碳纳米管是以棒状的聚集体形式均匀分散在pc基体中，此聚集体由少数几根碳纳米管组成，其直径大约500nm；而且，棒状聚集体沿着注塑成型时的熔体注射方向取向。 在碳纳米管的诱导下，pc分子链在其附近规整排列，从而在pc-mwcnt复合材料内部形成大量微晶区，这使复合材料的热稳定性能大大提高。当碳纳米管含量0.32wt时，pc-mwcnt复合材料的冲击强度较纯pc提高了60，热稳定温度较纯pc提高了30。 总之，以上研究说明：以纯化碳纳米管表面活性基团(羟基、羧基、活泼氢等)为基础进行化学改性，这

19、种工艺是可行的；碳纳米管经过改性后，可以提高其在溶液和聚合物基体中的分散性能，增强碳纳米管-聚合物界面的粘接强度，从而大大提高聚合物-碳纳米管复合材料的综合性能。碳纳米管作为一种独特的纳米结构材料，具有出众的物理性能和机械性能，比如极高的塑性模量、优异的导电和导热性能，这使其成为复合材料设计关注的焦点。正因为如此，最近掀起了研究碳纳米管增强聚合物基复合材料的热潮。但是，碳纳米管固有的表面惰性和不溶解性，使它难分散在溶液和聚合物基体中，在某种程度上来说，这阻碍了碳纳米管在聚合物复合材料领域的应用。 研究发现，对碳纳米管进行表面化学改性，是使碳纳米管在溶液和聚合物基体中实现较好分散的有效途径。 因

20、此，本研究工作首先选择恰当的碳纳米管纯化处理工艺，使碳纳米管表面生成大量的活性基团(如羟基、羧基)； 再利用这些活性基团与有机小分子(或聚合物单体)反应，在碳纳米管表面接枝有机分子链； 然后用接枝改性的碳纳米管，通过溶液混合法或熔融混合法制备成复合材料。探讨了纯化方法和改性过程对碳纳米管性能的影响，并对复合材料的性能进行了研究，发现了一些重要的规律，可以为聚合物.碳纳米管复合材料的研究和生产提供实验指导。 第一，首次采用氯氧化法提纯多壁碳纳米管(mwcnts)，此方法主要由氯水处理和氨水处理两个步骤组成，它同时具备气相氧化法、液相氧化法和酸处理法三者的优点。因此从应用的角度来看，此方法简单、能

21、够满足工业上大规模纯化碳纳米管的需求。透射电镜(tem)观察发现：经过氯氧化纯化处理后，原始碳纳米管表面的无定形碳层、纳米碳颗粒和催化剂颗粒被除去，而且封闭的端口被打开。x-ray能量散射光谱分析法研究表明：原始碳纳米管的催化剂元素ni、mo和mg含量分别为2.37、3.58和0.91wt；而纯化碳纳米管(p-mwcnts)中未检测到mg和mo，ni的含量也降到了0.15wt。此外，氯氧化法纯化使p-mwcnts表面生成了大量羟基、羧基和c-cl，这大大提高了p-mwcnts在溶剂(如：水、乙醇、丙酮、氯仿和二甲基甲酰胺)中的分散能力。因此，可以以这些基团为基础，通过化学反应对p-mwcnts

22、表面进行改性。 第二，以p-mwcnts表面的羟基为基础，与4-氯甲基苯乙烯反应，在碳纳米管表面接枝苯乙烯基团。然后使苯乙烯基接枝改性碳纳米管(s-mwcnts)参与苯乙烯的聚合反应，在其表面接枝聚苯乙烯(ps)分子链，得到ps接枝改性碳纳米管(g-mwcnts)。研究显示：g-mwcnts表面的ps层厚度大约5nm，接枝率为20wt。经过接枝改性后，g-mwcnts与弱极性溶剂(甲苯、四氢呋喃)的相容性提高。接着通过溶液混合法制备了ps-p-mwcnt、ps-s-mwcnt和ps-g-mwcnt三种复合材料。扫描电镜(sem)观察发现：由于ps层的包裹，g-mwcnts与ps基体的相容性大大

23、提高，因此能在基体中比较均匀的分散；随着碳纳米管含量的增加，ps-g-mwcnt复合材料的断裂方式由脆性断裂逐渐转向韧性断裂。机械性能和热性能研究表明：随着碳纳米管含量的增加，ps-p-mwcnt、ps-s-mwcnt和ps-g-mwcnt三种复合材料的冲击强度、拉伸强度和热稳定温度都呈上升趋势；由于具有良好的界面相容性和均匀分散的碳纳米管，在三种复合材料中，ps-g-mwcnt复合材料的机械性能和热性能最优。当碳纳米管含量为1.5wt时，ps-g-mwcnt复合材料的冲击强度和拉伸强度，较纯ps分别提高了38.8和33.6，耐热温度也提高了25。 第三，在p-mwcnts存在的条件下，微波辐

24、射引发苯乙烯的聚合，得到ps改性的碳纳米管(m-mwcnts)。研究发现m-mwcnts外壁的ps包裹层厚度约为3nm，占m-mwcnts总质量的10；改性机理为：在微波辐射下，p-mwcnts表面的基团(-h、-ch2oh、-ch2cl和-ch3)被活化并参与苯乙烯的聚合反应，从而在碳纳米管表面共价接枝ps层。分散性实验证明微波辐射得到的共价结合ps层能够与mwcnts牢固粘接，不会被溶剂洗脱；而在其它实验条件相同，改用传统加热方式来改性mwcnts时，ps只能与mwcnts非共价结合，并且可以被溶剂洗脱。然后用溶液混合法制备出碳纳米管含量为20 wt的ps-p-mwcnt色母料和ps-m-

25、mwcnt色母料。接着在挤出机和注塑机(工业生产用)上熔融混合色母料和纯ps，制备出ps-p-mwcnt复合材料和ps-m-mwcnt复合材料。sem观察发现：在ps-m-mwcnt复合材料中，碳纳米管被两种ps层包裹，一种是改性过程中形成的接枝ps层，另一种是存在于接枝ps层和ps基体之间的ps中间层，其平均厚度为80nm；而在ps-p-mwcnt复合材料中，没有检测到类似的ps中间层。通过tem的进一步研究证明：在ps-m-mwcnt复合材料中，碳纳米管呈单根分散状态并沿着成型时的熔体注射方向取向；而在ps-p-mwcnt复合材料中，虽然碳纳米管也是单根分散在ps基体中，但是其排列方式是杂

26、乱无章的。由于接枝ps层和ps中间层的存在，使碳纳米管和ps基体的相容性提高、界面粘接强度增加，因此ps-m-mwcnt复合材料的机械性能和热性能都优于ps-p-mwcnt复合材料。例如，当碳纳米管含量为0.32wt时，ps-m-mwcnt复合材料的冲击强度较纯ps提高了150，而ps-p-mwcnt复合材料仅提高50。 第四，为了证明碳纳米管表面改性技术具有普遍适应性，还研究了聚碳酸酯(pc)-碳纳米管复合材料的制备及其性能。首先通过溶液混合回流法制备了pc色母料，目的是利用马来酸酐(mah)中双键和酸酐基的反应活性，将pc分子链共价接枝到碳纳米管表面，改善碳纳米管和pc基体的相容性。 然后

27、用熔融混合法，在双螺杆挤出机和注塑机上制备了公斤级pc-mwcnt复合材料。sem研究显示：碳纳米管是以棒状的聚集体形式均匀分散在pc基体中，此聚集体由少数几根碳纳米管组成，其直径大约500nm；而且，棒状聚集体沿着注塑成型时的熔体注射方向取向。 在碳纳米管的诱导下，pc分子链在其附近规整排列，从而在pc-mwcnt复合材料内部形成大量微晶区，这使复合材料的热稳定性能大大提高。当碳纳米管含量0.32wt时，pc-mwcnt复合材料的冲击强度较纯pc提高了60，热稳定温度较纯pc提高了30。 总之，以上研究说明：以纯化碳纳米管表面活性基团(羟基、羧基、活泼氢等)为基础进行化学改性，这种工艺是可行

28、的；碳纳米管经过改性后，可以提高其在溶液和聚合物基体中的分散性能，增强碳纳米管-聚合物界面的粘接强度，从而大大提高聚合物-碳纳米管复合材料的综合性能。碳纳米管作为一种独特的纳米结构材料，具有出众的物理性能和机械性能，比如极高的塑性模量、优异的导电和导热性能，这使其成为复合材料设计关注的焦点。正因为如此，最近掀起了研究碳纳米管增强聚合物基复合材料的热潮。但是，碳纳米管固有的表面惰性和不溶解性，使它难分散在溶液和聚合物基体中，在某种程度上来说，这阻碍了碳纳米管在聚合物复合材料领域的应用。 研究发现，对碳纳米管进行表面化学改性，是使碳纳米管在溶液和聚合物基体中实现较好分散的有效途径。 因此，本研究工

29、作首先选择恰当的碳纳米管纯化处理工艺，使碳纳米管表面生成大量的活性基团(如羟基、羧基)； 再利用这些活性基团与有机小分子(或聚合物单体)反应，在碳纳米管表面接枝有机分子链； 然后用接枝改性的碳纳米管，通过溶液混合法或熔融混合法制备成复合材料。探讨了纯化方法和改性过程对碳纳米管性能的影响，并对复合材料的性能进行了研究，发现了一些重要的规律，可以为聚合物.碳纳米管复合材料的研究和生产提供实验指导。 第一，首次采用氯氧化法提纯多壁碳纳米管(mwcnts)，此方法主要由氯水处理和氨水处理两个步骤组成，它同时具备气相氧化法、液相氧化法和酸处理法三者的优点。因此从应用的角度来看，此方法简单、能够满足工业上

30、大规模纯化碳纳米管的需求。透射电镜(tem)观察发现：经过氯氧化纯化处理后，原始碳纳米管表面的无定形碳层、纳米碳颗粒和催化剂颗粒被除去，而且封闭的端口被打开。x-ray能量散射光谱分析法研究表明：原始碳纳米管的催化剂元素ni、mo和mg含量分别为2.37、3.58和0.91wt；而纯化碳纳米管(p-mwcnts)中未检测到mg和mo，ni的含量也降到了0.15wt。此外，氯氧化法纯化使p-mwcnts表面生成了大量羟基、羧基和c-cl，这大大提高了p-mwcnts在溶剂(如：水、乙醇、丙酮、氯仿和二甲基甲酰胺)中的分散能力。因此，可以以这些基团为基础，通过化学反应对p-mwcnts表面进行改性

31、。 第二，以p-mwcnts表面的羟基为基础，与4-氯甲基苯乙烯反应，在碳纳米管表面接枝苯乙烯基团。然后使苯乙烯基接枝改性碳纳米管(s-mwcnts)参与苯乙烯的聚合反应，在其表面接枝聚苯乙烯(ps)分子链，得到ps接枝改性碳纳米管(g-mwcnts)。研究显示：g-mwcnts表面的ps层厚度大约5nm，接枝率为20wt。经过接枝改性后，g-mwcnts与弱极性溶剂(甲苯、四氢呋喃)的相容性提高。接着通过溶液混合法制备了ps-p-mwcnt、ps-s-mwcnt和ps-g-mwcnt三种复合材料。扫描电镜(sem)观察发现：由于ps层的包裹，g-mwcnts与ps基体的相容性大大提高，因此能

32、在基体中比较均匀的分散；随着碳纳米管含量的增加，ps-g-mwcnt复合材料的断裂方式由脆性断裂逐渐转向韧性断裂。机械性能和热性能研究表明：随着碳纳米管含量的增加，ps-p-mwcnt、ps-s-mwcnt和ps-g-mwcnt三种复合材料的冲击强度、拉伸强度和热稳定温度都呈上升趋势；由于具有良好的界面相容性和均匀分散的碳纳米管，在三种复合材料中，ps-g-mwcnt复合材料的机械性能和热性能最优。当碳纳米管含量为1.5wt时，ps-g-mwcnt复合材料的冲击强度和拉伸强度，较纯ps分别提高了38.8和33.6，耐热温度也提高了25。 第三，在p-mwcnts存在的条件下，微波辐射引发苯乙烯

33、的聚合，得到ps改性的碳纳米管(m-mwcnts)。研究发现m-mwcnts外壁的ps包裹层厚度约为3nm，占m-mwcnts总质量的10；改性机理为：在微波辐射下，p-mwcnts表面的基团(-h、-ch2oh、-ch2cl和-ch3)被活化并参与苯乙烯的聚合反应，从而在碳纳米管表面共价接枝ps层。分散性实验证明微波辐射得到的共价结合ps层能够与mwcnts牢固粘接，不会被溶剂洗脱；而在其它实验条件相同，改用传统加热方式来改性mwcnts时，ps只能与mwcnts非共价结合，并且可以被溶剂洗脱。然后用溶液混合法制备出碳纳米管含量为20 wt的ps-p-mwcnt色母料和ps-m-mwcnt色

34、母料。接着在挤出机和注塑机(工业生产用)上熔融混合色母料和纯ps，制备出ps-p-mwcnt复合材料和ps-m-mwcnt复合材料。sem观察发现：在ps-m-mwcnt复合材料中，碳纳米管被两种ps层包裹，一种是改性过程中形成的接枝ps层，另一种是存在于接枝ps层和ps基体之间的ps中间层，其平均厚度为80nm；而在ps-p-mwcnt复合材料中，没有检测到类似的ps中间层。通过tem的进一步研究证明：在ps-m-mwcnt复合材料中，碳纳米管呈单根分散状态并沿着成型时的熔体注射方向取向；而在ps-p-mwcnt复合材料中，虽然碳纳米管也是单根分散在ps基体中，但是其排列方式是杂乱无章的。由

35、于接枝ps层和ps中间层的存在，使碳纳米管和ps基体的相容性提高、界面粘接强度增加，因此ps-m-mwcnt复合材料的机械性能和热性能都优于ps-p-mwcnt复合材料。例如，当碳纳米管含量为0.32wt时，ps-m-mwcnt复合材料的冲击强度较纯ps提高了150，而ps-p-mwcnt复合材料仅提高50。 第四，为了证明碳纳米管表面改性技术具有普遍适应性，还研究了聚碳酸酯(pc)-碳纳米管复合材料的制备及其性能。首先通过溶液混合回流法制备了pc色母料，目的是利用马来酸酐(mah)中双键和酸酐基的反应活性，将pc分子链共价接枝到碳纳米管表面，改善碳纳米管和pc基体的相容性。 然后用熔融混合法

36、，在双螺杆挤出机和注塑机上制备了公斤级pc-mwcnt复合材料。sem研究显示：碳纳米管是以棒状的聚集体形式均匀分散在pc基体中，此聚集体由少数几根碳纳米管组成，其直径大约500nm；而且，棒状聚集体沿着注塑成型时的熔体注射方向取向。 在碳纳米管的诱导下，pc分子链在其附近规整排列，从而在pc-mwcnt复合材料内部形成大量微晶区，这使复合材料的热稳定性能大大提高。当碳纳米管含量0.32wt时，pc-mwcnt复合材料的冲击强度较纯pc提高了60，热稳定温度较纯pc提高了30。 总之，以上研究说明：以纯化碳纳米管表面活性基团(羟基、羧基、活泼氢等)为基础进行化学改性，这种工艺是可行的；碳纳米管

37、经过改性后，可以提高其在溶液和聚合物基体中的分散性能，增强碳纳米管-聚合物界面的粘接强度，从而大大提高聚合物-碳纳米管复合材料的综合性能。碳纳米管作为一种独特的纳米结构材料，具有出众的物理性能和机械性能，比如极高的塑性模量、优异的导电和导热性能，这使其成为复合材料设计关注的焦点。正因为如此，最近掀起了研究碳纳米管增强聚合物基复合材料的热潮。但是，碳纳米管固有的表面惰性和不溶解性，使它难分散在溶液和聚合物基体中，在某种程度上来说，这阻碍了碳纳米管在聚合物复合材料领域的应用。 研究发现，对碳纳米管进行表面化学改性，是使碳纳米管在溶液和聚合物基体中实现较好分散的有效途径。 因此，本研究工作首先选择恰

38、当的碳纳米管纯化处理工艺，使碳纳米管表面生成大量的活性基团(如羟基、羧基)； 再利用这些活性基团与有机小分子(或聚合物单体)反应，在碳纳米管表面接枝有机分子链； 然后用接枝改性的碳纳米管，通过溶液混合法或熔融混合法制备成复合材料。探讨了纯化方法和改性过程对碳纳米管性能的影响，并对复合材料的性能进行了研究，发现了一些重要的规律，可以为聚合物.碳纳米管复合材料的研究和生产提供实验指导。 第一，首次采用氯氧化法提纯多壁碳纳米管(mwcnts)，此方法主要由氯水处理和氨水处理两个步骤组成，它同时具备气相氧化法、液相氧化法和酸处理法三者的优点。因此从应用的角度来看，此方法简单、能够满足工业上大规模纯化碳

39、纳米管的需求。透射电镜(tem)观察发现：经过氯氧化纯化处理后，原始碳纳米管表面的无定形碳层、纳米碳颗粒和催化剂颗粒被除去，而且封闭的端口被打开。x-ray能量散射光谱分析法研究表明：原始碳纳米管的催化剂元素ni、mo和mg含量分别为2.37、3.58和0.91wt；而纯化碳纳米管(p-mwcnts)中未检测到mg和mo，ni的含量也降到了0.15wt。此外，氯氧化法纯化使p-mwcnts表面生成了大量羟基、羧基和c-cl，这大大提高了p-mwcnts在溶剂(如：水、乙醇、丙酮、氯仿和二甲基甲酰胺)中的分散能力。因此，可以以这些基团为基础，通过化学反应对p-mwcnts表面进行改性。 第二，以

40、p-mwcnts表面的羟基为基础，与4-氯甲基苯乙烯反应，在碳纳米管表面接枝苯乙烯基团。然后使苯乙烯基接枝改性碳纳米管(s-mwcnts)参与苯乙烯的聚合反应，在其表面接枝聚苯乙烯(ps)分子链，得到ps接枝改性碳纳米管(g-mwcnts)。研究显示：g-mwcnts表面的ps层厚度大约5nm，接枝率为20wt。经过接枝改性后，g-mwcnts与弱极性溶剂(甲苯、四氢呋喃)的相容性提高。接着通过溶液混合法制备了ps-p-mwcnt、ps-s-mwcnt和ps-g-mwcnt三种复合材料。扫描电镜(sem)观察发现：由于ps层的包裹，g-mwcnts与ps基体的相容性大大提高，因此能在基体中比较

41、均匀的分散；随着碳纳米管含量的增加，ps-g-mwcnt复合材料的断裂方式由脆性断裂逐渐转向韧性断裂。机械性能和热性能研究表明：随着碳纳米管含量的增加，ps-p-mwcnt、ps-s-mwcnt和ps-g-mwcnt三种复合材料的冲击强度、拉伸强度和热稳定温度都呈上升趋势；由于具有良好的界面相容性和均匀分散的碳纳米管，在三种复合材料中，ps-g-mwcnt复合材料的机械性能和热性能最优。当碳纳米管含量为1.5wt时，ps-g-mwcnt复合材料的冲击强度和拉伸强度，较纯ps分别提高了38.8和33.6，耐热温度也提高了25。 第三，在p-mwcnts存在的条件下，微波辐射引发苯乙烯的聚合，得到

42、ps改性的碳纳米管(m-mwcnts)。研究发现m-mwcnts外壁的ps包裹层厚度约为3nm，占m-mwcnts总质量的10；改性机理为：在微波辐射下，p-mwcnts表面的基团(-h、-ch2oh、-ch2cl和-ch3)被活化并参与苯乙烯的聚合反应，从而在碳纳米管表面共价接枝ps层。分散性实验证明微波辐射得到的共价结合ps层能够与mwcnts牢固粘接，不会被溶剂洗脱；而在其它实验条件相同，改用传统加热方式来改性mwcnts时，ps只能与mwcnts非共价结合，并且可以被溶剂洗脱。然后用溶液混合法制备出碳纳米管含量为20 wt的ps-p-mwcnt色母料和ps-m-mwcnt色母料。接着在

43、挤出机和注塑机(工业生产用)上熔融混合色母料和纯ps，制备出ps-p-mwcnt复合材料和ps-m-mwcnt复合材料。sem观察发现：在ps-m-mwcnt复合材料中，碳纳米管被两种ps层包裹，一种是改性过程中形成的接枝ps层，另一种是存在于接枝ps层和ps基体之间的ps中间层，其平均厚度为80nm；而在ps-p-mwcnt复合材料中，没有检测到类似的ps中间层。通过tem的进一步研究证明：在ps-m-mwcnt复合材料中，碳纳米管呈单根分散状态并沿着成型时的熔体注射方向取向；而在ps-p-mwcnt复合材料中，虽然碳纳米管也是单根分散在ps基体中，但是其排列方式是杂乱无章的。由于接枝ps层

44、和ps中间层的存在，使碳纳米管和ps基体的相容性提高、界面粘接强度增加，因此ps-m-mwcnt复合材料的机械性能和热性能都优于ps-p-mwcnt复合材料。例如，当碳纳米管含量为0.32wt时，ps-m-mwcnt复合材料的冲击强度较纯ps提高了150，而ps-p-mwcnt复合材料仅提高50。 第四，为了证明碳纳米管表面改性技术具有普遍适应性，还研究了聚碳酸酯(pc)-碳纳米管复合材料的制备及其性能。首先通过溶液混合回流法制备了pc色母料，目的是利用马来酸酐(mah)中双键和酸酐基的反应活性，将pc分子链共价接枝到碳纳米管表面，改善碳纳米管和pc基体的相容性。 然后用熔融混合法，在双螺杆挤

45、出机和注塑机上制备了公斤级pc-mwcnt复合材料。sem研究显示：碳纳米管是以棒状的聚集体形式均匀分散在pc基体中，此聚集体由少数几根碳纳米管组成，其直径大约500nm；而且，棒状聚集体沿着注塑成型时的熔体注射方向取向。 在碳纳米管的诱导下，pc分子链在其附近规整排列，从而在pc-mwcnt复合材料内部形成大量微晶区，这使复合材料的热稳定性能大大提高。当碳纳米管含量0.32wt时，pc-mwcnt复合材料的冲击强度较纯pc提高了60，热稳定温度较纯pc提高了30。 总之，以上研究说明：以纯化碳纳米管表面活性基团(羟基、羧基、活泼氢等)为基础进行化学改性，这种工艺是可行的；碳纳米管经过改性后，

46、可以提高其在溶液和聚合物基体中的分散性能，增强碳纳米管-聚合物界面的粘接强度，从而大大提高聚合物-碳纳米管复合材料的综合性能。碳纳米管作为一种独特的纳米结构材料，具有出众的物理性能和机械性能，比如极高的塑性模量、优异的导电和导热性能，这使其成为复合材料设计关注的焦点。正因为如此，最近掀起了研究碳纳米管增强聚合物基复合材料的热潮。但是，碳纳米管固有的表面惰性和不溶解性，使它难分散在溶液和聚合物基体中，在某种程度上来说，这阻碍了碳纳米管在聚合物复合材料领域的应用。 研究发现，对碳纳米管进行表面化学改性，是使碳纳米管在溶液和聚合物基体中实现较好分散的有效途径。 因此，本研究工作首先选择恰当的碳纳米管

47、纯化处理工艺，使碳纳米管表面生成大量的活性基团(如羟基、羧基)； 再利用这些活性基团与有机小分子(或聚合物单体)反应，在碳纳米管表面接枝有机分子链； 然后用接枝改性的碳纳米管，通过溶液混合法或熔融混合法制备成复合材料。探讨了纯化方法和改性过程对碳纳米管性能的影响，并对复合材料的性能进行了研究，发现了一些重要的规律，可以为聚合物.碳纳米管复合材料的研究和生产提供实验指导。 第一，首次采用氯氧化法提纯多壁碳纳米管(mwcnts)，此方法主要由氯水处理和氨水处理两个步骤组成，它同时具备气相氧化法、液相氧化法和酸处理法三者的优点。因此从应用的角度来看，此方法简单、能够满足工业上大规模纯化碳纳米管的需求

48、。透射电镜(tem)观察发现：经过氯氧化纯化处理后，原始碳纳米管表面的无定形碳层、纳米碳颗粒和催化剂颗粒被除去，而且封闭的端口被打开。x-ray能量散射光谱分析法研究表明：原始碳纳米管的催化剂元素ni、mo和mg含量分别为2.37、3.58和0.91wt；而纯化碳纳米管(p-mwcnts)中未检测到mg和mo，ni的含量也降到了0.15wt。此外，氯氧化法纯化使p-mwcnts表面生成了大量羟基、羧基和c-cl，这大大提高了p-mwcnts在溶剂(如：水、乙醇、丙酮、氯仿和二甲基甲酰胺)中的分散能力。因此，可以以这些基团为基础，通过化学反应对p-mwcnts表面进行改性。 第二，以p-mwcn

49、ts表面的羟基为基础，与4-氯甲基苯乙烯反应，在碳纳米管表面接枝苯乙烯基团。然后使苯乙烯基接枝改性碳纳米管(s-mwcnts)参与苯乙烯的聚合反应，在其表面接枝聚苯乙烯(ps)分子链，得到ps接枝改性碳纳米管(g-mwcnts)。研究显示：g-mwcnts表面的ps层厚度大约5nm，接枝率为20wt。经过接枝改性后，g-mwcnts与弱极性溶剂(甲苯、四氢呋喃)的相容性提高。接着通过溶液混合法制备了ps-p-mwcnt、ps-s-mwcnt和ps-g-mwcnt三种复合材料。扫描电镜(sem)观察发现：由于ps层的包裹，g-mwcnts与ps基体的相容性大大提高，因此能在基体中比较均匀的分散；

50、随着碳纳米管含量的增加，ps-g-mwcnt复合材料的断裂方式由脆性断裂逐渐转向韧性断裂。机械性能和热性能研究表明：随着碳纳米管含量的增加，ps-p-mwcnt、ps-s-mwcnt和ps-g-mwcnt三种复合材料的冲击强度、拉伸强度和热稳定温度都呈上升趋势；由于具有良好的界面相容性和均匀分散的碳纳米管，在三种复合材料中，ps-g-mwcnt复合材料的机械性能和热性能最优。当碳纳米管含量为1.5wt时，ps-g-mwcnt复合材料的冲击强度和拉伸强度，较纯ps分别提高了38.8和33.6，耐热温度也提高了25。 第三，在p-mwcnts存在的条件下，微波辐射引发苯乙烯的聚合，得到ps改性的碳

51、纳米管(m-mwcnts)。研究发现m-mwcnts外壁的ps包裹层厚度约为3nm，占m-mwcnts总质量的10；改性机理为：在微波辐射下，p-mwcnts表面的基团(-h、-ch2oh、-ch2cl和-ch3)被活化并参与苯乙烯的聚合反应，从而在碳纳米管表面共价接枝ps层。分散性实验证明微波辐射得到的共价结合ps层能够与mwcnts牢固粘接，不会被溶剂洗脱；而在其它实验条件相同，改用传统加热方式来改性mwcnts时，ps只能与mwcnts非共价结合，并且可以被溶剂洗脱。然后用溶液混合法制备出碳纳米管含量为20 wt的ps-p-mwcnt色母料和ps-m-mwcnt色母料。接着在挤出机和注塑

52、机(工业生产用)上熔融混合色母料和纯ps，制备出ps-p-mwcnt复合材料和ps-m-mwcnt复合材料。sem观察发现：在ps-m-mwcnt复合材料中，碳纳米管被两种ps层包裹，一种是改性过程中形成的接枝ps层，另一种是存在于接枝ps层和ps基体之间的ps中间层，其平均厚度为80nm；而在ps-p-mwcnt复合材料中，没有检测到类似的ps中间层。通过tem的进一步研究证明：在ps-m-mwcnt复合材料中，碳纳米管呈单根分散状态并沿着成型时的熔体注射方向取向；而在ps-p-mwcnt复合材料中，虽然碳纳米管也是单根分散在ps基体中，但是其排列方式是杂乱无章的。由于接枝ps层和ps中间层

53、的存在，使碳纳米管和ps基体的相容性提高、界面粘接强度增加，因此ps-m-mwcnt复合材料的机械性能和热性能都优于ps-p-mwcnt复合材料。例如，当碳纳米管含量为0.32wt时，ps-m-mwcnt复合材料的冲击强度较纯ps提高了150，而ps-p-mwcnt复合材料仅提高50。 第四，为了证明碳纳米管表面改性技术具有普遍适应性，还研究了聚碳酸酯(pc)-碳纳米管复合材料的制备及其性能。首先通过溶液混合回流法制备了pc色母料，目的是利用马来酸酐(mah)中双键和酸酐基的反应活性，将pc分子链共价接枝到碳纳米管表面，改善碳纳米管和pc基体的相容性。 然后用熔融混合法，在双螺杆挤出机和注塑机

54、上制备了公斤级pc-mwcnt复合材料。sem研究显示：碳纳米管是以棒状的聚集体形式均匀分散在pc基体中，此聚集体由少数几根碳纳米管组成，其直径大约500nm；而且，棒状聚集体沿着注塑成型时的熔体注射方向取向。 在碳纳米管的诱导下，pc分子链在其附近规整排列，从而在pc-mwcnt复合材料内部形成大量微晶区，这使复合材料的热稳定性能大大提高。当碳纳米管含量0.32wt时，pc-mwcnt复合材料的冲击强度较纯pc提高了60，热稳定温度较纯pc提高了30。 总之，以上研究说明：以纯化碳纳米管表面活性基团(羟基、羧基、活泼氢等)为基础进行化学改性，这种工艺是可行的；碳纳米管经过改性后，可以提高其在

55、溶液和聚合物基体中的分散性能，增强碳纳米管-聚合物界面的粘接强度，从而大大提高聚合物-碳纳米管复合材料的综合性能。碳纳米管作为一种独特的纳米结构材料，具有出众的物理性能和机械性能，比如极高的塑性模量、优异的导电和导热性能，这使其成为复合材料设计关注的焦点。正因为如此，最近掀起了研究碳纳米管增强聚合物基复合材料的热潮。但是，碳纳米管固有的表面惰性和不溶解性，使它难分散在溶液和聚合物基体中，在某种程度上来说，这阻碍了碳纳米管在聚合物复合材料领域的应用。 研究发现，对碳纳米管进行表面化学改性，是使碳纳米管在溶液和聚合物基体中实现较好分散的有效途径。 因此，本研究工作首先选择恰当的碳纳米管纯化处理工艺

56、，使碳纳米管表面生成大量的活性基团(如羟基、羧基)； 再利用这些活性基团与有机小分子(或聚合物单体)反应，在碳纳米管表面接枝有机分子链； 然后用接枝改性的碳纳米管，通过溶液混合法或熔融混合法制备成复合材料。探讨了纯化方法和改性过程对碳纳米管性能的影响，并对复合材料的性能进行了研究，发现了一些重要的规律，可以为聚合物.碳纳米管复合材料的研究和生产提供实验指导。 第一，首次采用氯氧化法提纯多壁碳纳米管(mwcnts)，此方法主要由氯水处理和氨水处理两个步骤组成，它同时具备气相氧化法、液相氧化法和酸处理法三者的优点。因此从应用的角度来看，此方法简单、能够满足工业上大规模纯化碳纳米管的需求。透射电镜(

57、tem)观察发现：经过氯氧化纯化处理后，原始碳纳米管表面的无定形碳层、纳米碳颗粒和催化剂颗粒被除去，而且封闭的端口被打开。x-ray能量散射光谱分析法研究表明：原始碳纳米管的催化剂元素ni、mo和mg含量分别为2.37、3.58和0.91wt；而纯化碳纳米管(p-mwcnts)中未检测到mg和mo，ni的含量也降到了0.15wt。此外，氯氧化法纯化使p-mwcnts表面生成了大量羟基、羧基和c-cl，这大大提高了p-mwcnts在溶剂(如：水、乙醇、丙酮、氯仿和二甲基甲酰胺)中的分散能力。因此，可以以这些基团为基础，通过化学反应对p-mwcnts表面进行改性。 第二，以p-mwcnts表面的羟

58、基为基础，与4-氯甲基苯乙烯反应，在碳纳米管表面接枝苯乙烯基团。然后使苯乙烯基接枝改性碳纳米管(s-mwcnts)参与苯乙烯的聚合反应，在其表面接枝聚苯乙烯(ps)分子链，得到ps接枝改性碳纳米管(g-mwcnts)。研究显示：g-mwcnts表面的ps层厚度大约5nm，接枝率为20wt。经过接枝改性后，g-mwcnts与弱极性溶剂(甲苯、四氢呋喃)的相容性提高。接着通过溶液混合法制备了ps-p-mwcnt、ps-s-mwcnt和ps-g-mwcnt三种复合材料。扫描电镜(sem)观察发现：由于ps层的包裹，g-mwcnts与ps基体的相容性大大提高，因此能在基体中比较均匀的分散；随着碳纳米管

59、含量的增加，ps-g-mwcnt复合材料的断裂方式由脆性断裂逐渐转向韧性断裂。机械性能和热性能研究表明：随着碳纳米管含量的增加，ps-p-mwcnt、ps-s-mwcnt和ps-g-mwcnt三种复合材料的冲击强度、拉伸强度和热稳定温度都呈上升趋势；由于具有良好的界面相容性和均匀分散的碳纳米管，在三种复合材料中，ps-g-mwcnt复合材料的机械性能和热性能最优。当碳纳米管含量为1.5wt时，ps-g-mwcnt复合材料的冲击强度和拉伸强度，较纯ps分别提高了38.8和33.6，耐热温度也提高了25。 第三，在p-mwcnts存在的条件下，微波辐射引发苯乙烯的聚合，得到ps改性的碳纳米管(m-mwcnts)。研究发现m-mwcnts外壁的ps包