碳納米管的分散及力學性能(20210425072222)

1、碳納米管的分散及力學性能 碳納米管雖然具有諸多優(yōu)異性能，并能顯著增強材料的各項性 能，但本身作為高分子材料，分子量較小，管徑很小，比表面積大， 表面能大，非常容易團聚在一起，這樣則會產(chǎn)生反效果 （如？ D1所示），尤其是對碳納米管的復合材料而言，這些團聚起 來的碳納米管管徑小以難分散開，同時材料中也會出現(xiàn)應力集中點， 會削弱材料性能，因此在使用碳納米管增強材料的性能及應用在其他 方面都必須要將碳納米管完全分散以達到最佳的使用效果。 1碳納米管分散 碳納米管的分散主要使用物理或者化學方法。團聚體的分散方 法主要包括機械攪拌、添加表面活性劑、超聲波處理等，所以對碳納 米管的分散方法也主要由這些方法

2、發(fā)展而來，物理方法主要有碾磨、 球磨、超聲波等；化學方法主要有添加表面活性劑、強酸強堿洗滌 等；還可采用原位合成法制備碳納米管復合材料。 1. 1強酸洗滌碳納米管表面存在一些缺陷，而通過使用強酸強 堿的強氧化性可將其溶斷，再將它們分散1。強酸洗滌可以把團聚 體表面的碳納米管溶斷分散，但無法進入團聚體內(nèi)部，因此溶液中 也就會存在微小的碳納米管團聚，需要額外的工序?qū)⑵淙コ?1.2聚合物溶劑 于作龍2等公開了一種分散碳納米管的方法，即先把碳納米 管加到具有一定粘度的聚合物溶體中，然后通過研磨裝置把碳納米管 均勻分散在聚合物中，同時碳納米管也會在摩擦力和聚合物內(nèi)部的剪 力等作用下被截斷，最后去除聚合

3、物即可。但使用這種方法無法解 決團聚問題，所以效果并不是很好。 1.3超聲波分散 超聲波處理的作用可分為兩方面：一是由于多壁碳納米管的管 壁上存在著小洞樣子的缺陷，運用超聲波處理可以使得碳納米管從缺 陷處被震斷縮短從而進行分散。不過可以預見的是在震斷的同時也會 將碳納米管團聚物震的更加緊實，反而更加難以分散。二是在溶液中 的產(chǎn)生了大量微小氣泡，通過這些氣泡“炸 開”產(chǎn)生的具有較大能量 的沖擊波使得周圍依靠范德華力結(jié)合在一起的碳納米管被震開，這樣 也就達到了分散的目的。 1. 4原位生長合成法 原位生長合成法是通過碳納米管制備工藝，以化學氣相沉積法 為主，在基體材料表面原位生長出碳納米管，甚至是

4、定向排列的碳 納米管3。使用此方法可以在制備碳納米管的同時就分散，這樣就 避免了碳納米管的團聚。但是該方法工藝繁雜限制條件很多而且不容 易控制，并且制備出的復合材料致密度較低，反而無 法凸顯出碳納 米管的優(yōu)越性能。 1. 5表面修飾法 目前常用的修飾法分共價修飾法與表面活性劑（SAA非共 價修飾 法兩種。 共價化學修飾法就是把碳管表面氧化或引進有機官能團從而修飾 碳納米管表面4,主要分為強氧化劑處理法、酯化修飾法、烷基化 修飾法等。這種方法可使碳納米管表面或被縮短的碳納米管末端的打 開，使其末端含有一定數(shù)量的活性基團如疑基等。這樣不僅增加了碳 納米管的親水性使其易溶于水等溶液中，而且為與其它物

5、質(zhì)或基團反 應提供了基礎，進而可與親水基體材料產(chǎn)生較好復合均勻度和黏結(jié)界 面強度。 而表面活性劑非共價修飾法在有效分散碳納米管的同時不會對碳 納米管的性能產(chǎn)生負面影響5 o表面活性劑分為離子型與非離子型 兩種。不論哪種表面活性劑都會吸附包裹在碳納米管 表面，而不會破 壞碳納米管的結(jié)構(gòu)，離子型表面活性劑吸附在碳納米管表面，主要 依靠親水基團之間的靜電斥力阻止碳納米管之間的聚集，非離子型表 面活性劑丨碳納米管分散體系也是基于吸附機理，而其頭基和尾基 雜亂、隨機地吸附在的管壁上保持體系穩(wěn)定。 1. 6應用情況 目前，碳納米管的分散方法包括機械攪拌法、超聲處理法、電場 誘導法、表面修飾法（共價修飾、非

6、共價修飾）等，但單一方法都存 在無法去除團聚的缺陷，所以在實際運用中多注重以上幾種方法的綜 合使用。 2力學性能 碳納米管基材料有多種應用方式，主要應用于塑料，電氣原 件，以及金屬基中可以顯著提升它們自身的性能，為當下要求越來越 高的設備提供優(yōu)秀的原件以便使用。下面以水泥基為例，研究加入 MWCNT后它各項力學性能的變化。 2. 1抗壓強度 韓瑜在他2012-2013年中所做的試驗中，在控制水灰比為 0. 35的情況下，隨著碳納米管用量的增加，比較了水泥抗壓強度的不 同。 實驗測試了六組試件(NO-N5,其中NO為空白對照組), MWCNT 的用量分別為 0.00、0.05、0.08、0.10

7、、0.12、0. 15 (wt%),同時分散劑GA的用量也成比例增加，分別為0.00、0.30、 0. 48、 0.60、0.72、0. 90 ( %, TBP均為0.13%,在這樣的情況下，抗 壓強 度分別為 77.4、82.9、83. 1、84.5、80. 8、73. 0 (MPa), N1-N5對比N0得抗壓強度增長分別為7. 1、7. 4、9. 2、4. 4、-5. 7 (%) O 有上述數(shù)據(jù)可以看出，加入MWCNT后水凈泥漿的抗壓強度 得到顯 著增強，在MWCNT的用量為0. lwt%時，水泥的抗壓強度達到最高為 84.5MPa,與空白試件相比提升了 9. 2%,然后隨著MWCNT用

8、量的增加， 試件抗壓強度反而下降甚至低于空白試件，這種現(xiàn)象應是碳納米管用 量過多導致團聚造成的。 2.2抗折強度 在測試抗折強度時，仍然控制水灰比為0.35,測試了六組 試件(N0-N5) , MWCNTsGA TBP的用量與測試抗壓強度一致。在這情 況下，測得其抗折強度分別為11.0、11.7、15.8、15.0、 13.1、10.5 ( MPa , N1-N5與NO對比抗折強度的增幅分別為6.4、 43.6、36.4、19.1、-4.5 (%) o 6抗折強度變化趨勢 和抗壓強度類似，不過提升更為明顯，當MWCNT用量為0. 08wt%時， 試件N2的抗折強度最高為15. 8,與空白試件相

9、比提升了 43. 6%o 3參數(shù)變化的影響 除基本的力學性能外，摻量及時間等參數(shù)對于水泥基碳納米管 的力學性能也有著較大的影響。 3. 1摻量變化 當隨著MWCNT加入后，試件的力學強度提升顯著。砂漿的抗壓強 度隨著碳納米管的摻量增加而增強，當摻量為0. lwt%時， 抗壓強度達到峰值89. 4MPAa較空白試件提升21.6%,之后隨著 碳納米 管的摻量增加而降低?？拐蹚姸鹊淖兓闆r與其類似，當MWCNT摻 量為0. 8wt%時，試件的抗折強度達到峰值，較空白試 件提升38. 5%, 但隨后降低趨勢較抗壓強度更平緩。 3.2時間變化實驗測試碳納米管摻量不同對于水泥砂漿的力學強 度隨齡 期變化的

10、結(jié)果如圖2所示。 由實驗結(jié)果可得抗折強度的大小隨齡期增長而增大。當齡期 為7天時試件H3強度最大，其他試件且均高于空白試件。在 7天 到28天之間，試件H2和H3的增幅最快，不過在56天齡期時，抗折 強度僅略高于28天時的測量值。其它試件普遍在28天到56天齡期 時增長較快。 實驗測試碳納米管摻量不同對于水泥砂漿的抗壓強度隨齡期變化 的結(jié)果如圖3所示。由實驗結(jié)果可得，抗壓強度的大小也隨齡期增 長而增大。在齡期為7天時，試件Hl、H2與空白試件 相差不大。且 在齡期到28天之前，除了試件Hl、H2其他均有 較明顯的增長。在齡 期在28天到56天之間，除了 H5 H6其他 試件均沒有明顯增長。 由上圖可知，隨著MWCNT摻量的增加，水泥基材料的齡期 在不斷 減小，但H3為