聚酰胺酰亚胺/聚邻甲氧基苯胺/碳纳米管复合材料的制备与性能研究

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碳纳米管(CNT)由于其优异的导电和力学性能,使其作为一种填料,被广泛用来制备导电聚合物复合材料。但其较大的比表面积和长径比,以及碳纳米管间较强的范德华力,造成CNT在聚合物基体中容易聚集。因此,如何实现碳纳米管在聚合物基体中的均匀分散,一直是科学家研究的热点。本论文以聚酰胺酰亚胺(PAI)为聚合物基体材料,采用两种不同的策略(三元共混和化学接枝),改善碳纳米管在聚合物基体中的分散,通过四探针测试仪、万能拉伸试验机、热重分析仪(TGA)、差示扫描量热仪(DSC)和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM),研究了上述两种方法对聚酰胺酰亚胺复合材料的导电、力学、热性能、结晶及形貌等方面的影响,主要内容如下。通过溶液浇铸法制备了聚酰胺酰亚胺/聚邻甲氧基苯胺/官能化多壁碳纳米管(PAI/POMA/FMWCNTs)三元复合薄膜。研究发现,随着FMWCNTs含量的增加,PAI/POMA/FMWCNTs三元复合薄膜的电导率和力学性能均有明显的改善。当FMWCNTs含量为20 wt%时,PAI/POMA/FMWCNTs三元复合薄膜的电导率达到48.4 S/m,高于PAI/FMWCNTs二元复合薄膜的13.5 S/m。当FMWCNTs含量为15 wt%时,三元复合薄膜的拉伸强度为65.8 MPa,也优于二元复合薄膜的52.1MPa。这是由于PAI、POMA及FMWCNTs三组份之间存在较强的氢键相互作用,可以有效打破FMWCNTs分子间的范德华力,改善FMWCNTs在PAI中的分散。此外,研究发现,PAI/POMA/FMWCNTs三元复合薄膜的表面粗糙度比PAI/FMWCNTs二元复合薄膜的低,POMA的表面能(20.4 m J/m2)介于PAI(27.8 m J/m2)和FMWCNTs(10.9 m J/m2)之间,意味着POMA可作为界面相容剂,促进碳纳米管在聚合物基体中的分散。通过化学接枝的方法成功合成了聚邻甲氧基苯胺接枝官能化多壁碳纳米管(FMWCNTs-POMA),并将其作为导电填料添加到聚合物基体PAI中,制备了PAI/FMWCNTs-POMA导电复合材料。研究发现,FMWCNTs-POMA进一步改善了PAI复合材料的导电和力学性能。当FMWCNTs-POMA含量为20 wt%时,PAI/FMWCNTs-POMA复合材料的电导率和拉伸强度分别达到79.6 S/m和74.7 MPa,比PAI/POMA/FMWCNTs三元复合薄膜的性能还要好。这是由于FMWCNTs表面接枝的POMA可以进一步改善FMWCNTs与PAI的相容性,促进FMWCNTs在PAI中的均匀分散,并形成更加致密的导电网络。
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