超临界流体快速膨胀法分散碳纳米管及其高分子基复合材料的研究

由于其独特的结构和优异的性能，碳纳米管在高分子基复合材料领域有着巨大的应用潜力，但碳纳米管的分散是限制其应用的关键难题之一。目前制备碳纳米管／聚合物复合材料的方法和过程存在诸多问题如挥发性有机化合物的使用、碳纳米管分散不佳、不适合规模化生产等。本课题提出了利用超临界二氧化碳悬浮液的快速膨胀（RESS）分散碳纳米管的新方法，其具有对碳纳米管结构无破坏、过程简单、无挥发性有机化合物等优势，且易与高分子加工设备整合，极适于工业化连续生产。本课题的目标是深入、系统地考察RESS参数、喷嘴的设计选择等与碳纳米管分散程度的关系；并研究分散的碳纳米管与高分子基体形成的复合材料，探索碳纳米管在高分子基体中的分散程度、微观结构及其对复合材料宏观物理性能的影响；在低填充量下，构建具有优越机械性能和电磁屏蔽性能的轻质纳米复合材料，为实现RESS对碳纳米管的分散及高性能纳米复合材料的制备提供重要的实验和理论依据。

碳纳米管的分散是限制碳纳米管应用的关键难题之一。本研究利用超临界状态下二氧化碳的快速膨胀（RESS）来分散碳纳米管，为可放大化且无挥发性有机化合物的新方法。将碳纳米管在超临界二氧化碳悬浮液中经由微细喷嘴快速膨胀使其均匀分散。电子显微镜和光散射表征证实RESS可有效地实现碳纳米管的分散。RESS参数如压力的增加、多次RESS过程和喷嘴的设计选择可提高碳纳米管的分散程度。同时，为了解决再团聚难题，提出利用小分子包覆法和将碳纳米管嵌入高分子基体法来防止其再团聚，实验证实都起到良好的效果。形成的高分子基体复合材料，在低填充量下，具有优越机械性能和电磁屏蔽性能。其中，将碳纳米管嵌入高分子基体法制备的复合材料显示出最佳的拉伸性能和储存模量，而小分子包覆法制备的复合材料具有最佳的电磁屏蔽效能。本研究为实现RESS对碳纳米管的分散及轻质高性能纳米复合材料的制备提供了的实验和理论依据。