溶液法和熔融法制備聚苯乙烯/碳納米管復(fù)合材料及其性能研究

王一科

（武漢紡織大學(xué)，湖北武漢430200）

緒論

碳納米管自從1991年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，以其特有的準(zhǔn)一維管狀分子結(jié)構(gòu)，迅速成為化學(xué)、物理及材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料

碳納米管（CNTs）,中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司；聚苯乙烯（PS）,上海賽科石油化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

1.2 溶液法制備復(fù)合材料

分別稱取一定量的碳納米管和聚苯乙烯置于6個(gè)燒杯中，對(duì)應(yīng)碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、2%、4%、6%、8%、10%。依次加入溶劑四氫呋喃，攪拌后封膜，超聲波處理4 h；超聲完后將混合液涂覆成膜，然后置于真空烘箱下干燥，取出得到溶液法聚苯乙烯/碳納米管復(fù)合材料。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔體流動(dòng)速率

表征熔融指數(shù)無(wú)需將材料復(fù)合，只需均勻混合分散。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中負(fù)荷砝碼2.160 kg，溫度設(shè)定為220℃，每60 s轉(zhuǎn)刀一次。

2.2 接觸角

數(shù)據(jù)顯示測(cè)試所得接觸角皆小于90°，所有材料都表現(xiàn)出弱親水性。碳納米管含量升高，其親水性越來(lái)越弱，可見(jiàn)碳納米管納米級(jí)分散之后，材料的表面特性得以改變。

2.3 電子掃描電鏡

SEM圖顯示純PS斷面呈層片狀分布,屬典型的脆性斷裂范疇,表明PS中有大量的應(yīng)力集中點(diǎn)和結(jié)構(gòu)缺陷。PS/2%CNTs復(fù)合材料斷面有明顯改變,白亮點(diǎn)的CNTs被PS包裹在其中,少量CNTs因材料斷裂裸露在外而呈白線狀,說(shuō)明該材料中大部分CNTs與基體PS有結(jié)合較好的界面,只有少量CNTs與基體連接不好。CNTs為4%，6%時(shí)材料斷面形貌中基本沒(méi)有白亮點(diǎn),而以“白線”居多,此時(shí)CNTs在PS中能較好分散。

表1 熔體流動(dòng)速率測(cè)試

表2 溶液法和熔融法PS/CNTs復(fù)合材料接觸角

圖1 溶液法和熔融法PS/CNTs復(fù)合材料斷面掃描電鏡

表3 熔融法PS/CNTs復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度與電導(dǎo)率

2.4 沖擊強(qiáng)度與電導(dǎo)率

結(jié)果表明碳納米管能改善PS力學(xué)性能，碳納米管的含量在4%時(shí),其沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值。電導(dǎo)率數(shù)據(jù)說(shuō)明純PS基體是絕緣體；2%CNTs復(fù)合材料的電導(dǎo)率增加到6.45×10-11S/cm；當(dāng)CNTs的含量達(dá)6%之后，電導(dǎo)率增加了2個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)顯示，碳納米管的加入會(huì)使復(fù)合材料流變性能變差，潤(rùn)濕性能變差。碳納米管可以明顯改善PS基體的力學(xué)性能和電學(xué)性能，CNTs含量為4%-6%時(shí)，復(fù)合材料表現(xiàn)出十分優(yōu)良的綜合性能；當(dāng)CNTs含量增加至6%以上時(shí)，碳納米管會(huì)在復(fù)合材料中出現(xiàn)團(tuán)聚，材料的性能反而受到影響。