碳纳米管纸/热塑性树脂复合材料的制备、结构和性能研究

High loading carbon nanotubes (CNTs) reinforced polymer composites fabricated by buckypapers have shown ultra-high mechanical strength, much superior to low loading CNTs/polymer composites prepared by conventional methods. However, compared with thermosetting resins, thermoplastic resins are difficult to penetrate into the buckypaper through nano-size voids due to their high surface tension force and viscosity of melts, resulting in weak strength inside buckypaper where loads are hard to be transferred between CNTs without the resin as a media. In this project, the buckypapers are firstly modified by the electrochemical oxidation method, and then the penetration of resins into buckypapers and the weak interfacial adhesion strength will be improved by the combination of microwave irradiation and multiple room temperature powder compression method, and thus exert the enhancement effect of CNTs. Moreover, the effect of preparation method, structure and functional group content of CNTs, and morphology and properties of thermoplastic resin on the quality of impregnation, macro and micro structure, and interfacial and mechanical properties are systematically investigated, and then a mechanical reinforcement mechanism is revealed. The relationships of processing-structure-properties will be established, which will bridge the processing design and martial properties for polymer composites manufactured using buckypapers.

碳纳米管（CNTs）纸/聚合物复合材料具有常规方法制备的CNTs/聚合物复合材料所难以比拟的机械性能。然而，相对于热固性树脂，热塑性树脂往往因极大表面张力和高熔体粘度而无法完全浸润CNTs纸，导致CNTs纸缺少足够的树脂粘接和力传导作用，严重影响CNTs增强作用的发挥，因此，如何提高浸渍效果是制备高强度CNTs纸/热塑性树脂复合材料的关键。本项目采用电化学氧化法对CNTs纸进行表面改性，通过微波辐照技术和多次室温粉末加压技术相结合的方法制备CNTs纸/热塑性树脂复合材料，着力于解决其浸渍效果差、界面粘接强度弱等难题，发挥CNTs的增强功效，并通过研究制备工艺参数、CNTs纸的构造与官能团含量，以及热塑性树脂的形态与物性等对复合材料浸渍效果、宏微观结构、界面性能及力学性能的影响规律及作用机制，揭示其力学增强机理，构建“制备工艺-结构-材料性能”之间的关系，为性能需求和工艺设计之间架构桥梁。

由碳纳米管（CNTs）纸与聚合物复合制备的高含量CNTs复合材料具有低含量CNTs聚合物复合材料所难以比拟的超强机械性能，但在传统的复合过程中，高粘度的热塑性树脂熔体往往因极大的表面张力而无法全部浸润CNTs纸中的CNTs，致使CNTs纸因缺乏足够的树脂粘接和力传导作用而难以发挥CNTs的增强作用，如何提高浸渍质量是制备高强度CNTs纸/热塑性树脂复合材料的关键。.首先，本项目以CNTs为原材料，采用真空抽滤法制备了巴基纸（Buckypaper），并结合预强酸氧化法或电化学氧化法成功地制备出表面官能团可以控制的巴基纸。.其次，从复合工艺出发，设计了一种新型制备高含量CNTs/聚合物纳米复合材料的方法——多次室温粉末喷洒-加压法。结果表明，与传统热压法相比，粉末喷洒辅助热压法能够在巴基纸中渗入更多的树脂，提高树脂与CNTs的界面粘结强度，从而获得具有更高力学强度的复合材料。.第三，以聚乙烯、聚碳酸酯和热塑性聚氨酯弹性体为基体，结合粉末喷洒辅助热压工艺，研究了微波辐照对复合材料的结构和力学性能的影响。结果表明，微波辐射能有效地改善树脂与CNTs间的界面相互作用，以及树脂对巴基纸的浸润性。尤其是非极性高分子材料，经微波辐射后，还可以在基体和CNTs间形成有效的界面过渡层，从而可取得较极性高分子材料更为突出的增强作用。.最后，采用自由基聚合法制备了表面接枝聚苯乙烯（PS）的巴基纸，并考察了表面接枝改性对接枝改性巴基纸/聚苯乙烯纳米复合材料力学性能的影响。结果表明，聚苯乙烯以共价键接枝到CNTs表面后，所得复合材料的力学性能较未表面接枝的复合材料可取得明显的增强作用。