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碳纳米管复合材料性能及应用

  碳纳米管(CNTs)是在一定条件下由大量碳原子聚集在一起形成的同轴空心管状的纳米级材料,它的径向尺寸为纳米数量级,轴向尺寸为微米数量级,属于碳同位素异构体家族中的一个新成员,是理想的一维量子材料。自从1991年Iijiman发现CNTs以来,它的优良性能引起了人们广泛深入的研究。然而CNTs不溶于一般的有机溶剂,并且其表面特性接近于石墨,使其表面呈化学惰性,从而限制了其应用范围。从目前文献报道的情况看,解决这些问题的最有效的方法是对CNTs表面进行改性,增加其分散性、化学活性等。其表面改性通常采取的方法是:首先通过不同的氧化处理在CNTs的端口或缺陷处引人羧基等活性基团,然后再由酯化或酰胺化反应等对其进行进一步的接枝改性。由于CNTs具有与聚合物相似的结构,可以与之复合制成高性能的复合材料。此类复合材料在电子器件、吸波隐身材料和其它结构材料等领域具有广阔的应用前景。
  
  CNTs/聚合物复合材料性能
  
  (1)导电性、导热性 CNTs具有优于铜的导电性,可以取代金属填料用来制备有机复合导电材料。因为CNTs与有机物的相容性优于金属,故材料的性能更加稳定,而且质量更轻,同时CNTs高达l000的长径比可以极大地降低复合材料的渗滤阈值,这是其它填料无法达到的,可用作抗电材料。加入CNTs可使复合材料的热稳定性大幅度提高。
  
  (2)力学性能将酸化处理以后的CNTs与高密度聚乙烯(HDPE)复合,采用机械共混法制备定向CNTs/HDPE复合材料,CNTs的加入,提高了复合材料的屈服强度和拉伸模量,但同时却降低了材料的断裂强度和断裂伸长率。利用CNTs对酚醛树脂(PF)进行改性,CNTs能够明显提高PF/CF复合材料弯曲强度、压缩强度、层间剪切强度和冲击强度。
  
  (3)摩擦学性能以CNTs为填料制备聚四氟乙烯(PTFE)基复合材料,CNTs/PTFE复合材料的摩擦系数随着CNTs含量的增加呈降低的趋势,其耐磨性能明显优于纯PTFE,以CNTs作为填料可有效地抑制PTFE的磨损。
  
  (4)抗静电性能人采用共混纺丝的方法将CNTs加入到丙纶中,并且通过测量其摩擦静电荷量来研究其抗静电性能的变化。结果表明:单独添加少量CNTs难以提高聚丙烯(PP)纤维的抗静电性能;而添加含有碳纳米管的复合抗静电剂,可以有效地提高PP纤维的抗静电性能。
  
  (5)阻燃性能利用合成的两种新型阻燃剂SPS和PTE与聚磷酸铵(APP)及MWNTs复配,并应用于低密度聚乙烯(LDPE),得到膨胀型阻燃LDPE-MWNTs复合材料。在该膨胀型阻燃体系中,IFR与MWNTs之问存在明显的协效阻燃作用,并且大大降低了低密度聚乙烯的可燃性和热释放速率(HRR),而且燃烧后的残碳量大大增加。
  
  CNTs/聚合物复合材料的应用
  
  CNTs作为加强相和导电相在纳米复合材料领域有着巨大的应用潜力,其中尤以CNTs/聚合物复合材料的应用研究发展得最快。将CNTs作为导电涂料的导电介质时,其管径越小,所制得的导电涂料导电性越好。CNTs作为导电涂料的导电介质的最佳长径比约为250。当CNTs长径比大于250时,所制得的涂料导电性随长径比的增大而减小;当CNTs长径比小于250时,所制得的涂料导电性随长径比的增大而增加。一般地,CNTs的含量越高,所制得的涂料导电性越好。针对新一代吸波隐身材料要求吸收强、宽频带、质量轻、厚度薄、功能多、红外微波吸收兼容以及具有优良的其它综合性能的要求,利用CNTs特殊的电磁吸波特性,以及聚合物优良的材料性能,研究开发CNTs聚合物基复合吸波功能材料是实现该技术的有效途径。 返回上页