碳纳米管的制备及其与uhmwpe混合效果的研究

碳纳米管的制备及其与uhmwpe混合效果的研究

1中空管碳纳米管的制备碳纳米管是一种直径为几纳米或几十纳米，长度为几十纳米到1m的中间管道。碳纳米管由化学气相沉积法制备,其基本原理可简单地归结为乙烯的热裂解反应,2实验部分2.1主要原材料UHMWPE:白色粉末,M—3型,北京助剂二厂产;碳纳米管:黑色粉末,用气相沉积法自制;分散偶联剂:自制。2.2试样冲击断口形貌以简支梁摆锤试验法按GB1043—70测定缺口冲击强度,缺口宽度为(2±0.2)mm。在电阻测定仪上按GB1044—70测定体积电阻率和表面电阻率,样品直径为60mm,厚度为2mm。用HITACHI—S450扫描电镜对试样冲击断口形貌进行研究。用透射电镜观察碳纳米管形态结构。2.3实验设备三头研磨机:XPM—热压机:YA71—45A型,天津锻压机械厂;冲击试验机:JB—6型,承德材料试验机厂。2.4建立前干预机制将分散偶联剂稀释后与碳纳米管混合,再与UHMWPE混合放入三头研磨机中,研磨2h以上。将研磨混合物放入模具,采用热压烧结方法,利用45t液压机,在200℃左右,保持15MPa压力约10min,然后冷却脱模即可。3结果与讨论3.1研磨机混合法。在模我们选用的UHMWPE原料为白色粉末状,平均粒径约为几百微米,便于与碳纳米管均匀混合。为了使碳纳米管和UHMWPE粉料尽可能混合均匀,我们尝试了不同的混合工艺,如手工混合、溶液超声波混合、磁力搅拌器混合、研磨机混合等,最后发现研磨机混合法效果最好。将碳纳米管和UHMWPE按一定配比加入研磨机的研钵中,然后启动研磨机研磨2h以上,直到黑色的碳纳米管和白色的UHMWPE粉料混合成均匀颜色。为了确定研磨是否会破坏碳纳米管的形态结构,我们用透射电镜观察了研磨混合后的碳纳米管和UHMWPE,电镜照片见图2。从照片上可以看出碳纳米管仍然保持纤维状,说明研磨并没有破坏碳纳米管的结构,照片中黑点为UHMWPE的粉末。3.2碳纳米管对uhmwpe的作用机理当碳纳米管含量为1%时,用热烧结法制作的冲击样条的缺口冲击强度见表1。由表1可以看出,添加碳纳米管后提高了材料的抗冲击性,也就是增强了UHMWPE的韧性。而且混合效果直接影响抗冲击性,研磨机混合的样品缺口冲击强度比纯UHMWPE提高约43%,手工混合的样品缺口冲击强度仅提高25%左右。我们曾经把Al碳纳米管的形态结构类似于晶须。碳纳米管比晶须具有更高的断裂强度和弹性模量,因此它本身承受外力的能力更强。其次碳纳米管与UHMWPE的界面结合良好,图3是碳纳米管/UHMWPE断口的扫描电镜照片,可以看出断口处碳纳米管的直径为50～60nm,而纯的碳纳米管的直径为20nm左右,因此碳纳米管表面实际上包敷了一层UHMW-PE,说明碳纳米管和UHMWPE的结合性很好,这一点对复合材料的力学性能非常重要。目前对晶须增韧的机理并不十分清楚,一般认为由于晶须周围存在的应力场,基体中的裂纹一般难以穿过晶须按原来的方向继续扩展。相反,它更易绕过晶须(贴着晶须表面)而扩展。裂纹的扩展路径增长了,扩展过程中需消耗更多的能量,这些都导致裂纹难以继续扩展。碳纳米管具有较大的长径比,裂纹沿着碳纳米管扩展需要消耗更多的能量,而且碳纳米管很容易弯曲缠绕在一起,形成局部网状结构,更加不利于微裂纹的扩展,这样就起到增韧作用。由于少量碳纳米管(仅1%)就可增韧塑料,这似乎具有普遍意义,如能解决碳纳米管取向排列问题,将对纳米级填料增强、增韧复合材料是一个重要贡献。3.3抗静电型材料的填加量碳纳米管具有良好的导电性及纤维状结构,如使之均匀分散在高分子材料中,便会在高分子基体中形成导电通道;填加量较小,就会成为永久抗静电型材料;填加到一定量,就会成为导电材料。实验结果证实了我们的预测。纯UHMWPE的体积电阻率约为1×10图4是复合材料的体积电阻率随碳纳米管含量变化的曲线,由图4可见,当碳纳米管的含量很低(千分之几)时,体积电阻率就发生了突变,从1×103.4样块的耐磨性我们曾用碳纳米管/UHMWPE复合材料样块,以砂轮为对偶摩擦件加压磨擦5min后测其磨损率。结果表明,样块的耐磨性与UHMWPE相比无大的变化。对热变形性能测试结果表明,其变化也不大。但导热性有明显提高,因为碳纳米管本身具有导电性,另外从热机械曲线上看,碳纳米管/UHMW-PE复合材料的曲线比UHMWPE的曲线变形大,说明复合材料受热熔化后流动性有较大提高,这对复合材料挤出成型和注射成型非常有利(热机械试验图略)。4碳纳米管对uhmwpe性能的预测(1)1%含量碳纳米管掺到UHMWPE中可以显著地提高其冲击强度,说明碳纳米管对于UHMWPE有增韧作用,这与碳纳米管的微观机械强度的理论预测是一致的。对增韧高分子材料应具有普遍意义。(2)碳纳米管的掺入使UHMWPE的导电性能有