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1、 酸和胺改性多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备,及形态和性能的研究。 铭源，陈驰M.马*，姚宇林，徐蒋宽国立清华大学台湾化学工程系，新竹30043，2006年6月27日收到;2006年12月4日修改稿;二零零六年十二月十三日接受；2006年12月27日可在线查阅.摘要 聚酰亚胺的前聚体，聚酰胺酸，是通过4,4-二氨基二苯醚（ODA）与3,3，4,4二苯甲酮四羧酸二酐（BTDA）反应制备的。未改性的、酸改性和胺改性的多壁碳纳米管（MWCNT）被分别地单独加入到聚酰胺酸溶液中，并加热至300,从而制成聚酰亚胺/碳纳米管复合材料。 扫描型电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的显微照片表明
2、，酸改性的多壁碳纳米管和胺改性多壁碳纳米管在聚酰亚胺基体中被均匀一致地分散开。 通过对酸和胺改性的多壁碳纳米管MWCNTS对多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的表面和体积电阻率的影响进行了研究。了解到该纳米复合材料的表面电阻率ITES从1.2810152（纯聚酰亚胺），降到7.591062（26.98wt的未改性的多壁碳纳米管含量）。除此之外，添加多壁碳纳米管影响了纳米复合材料的玻璃化转变温度。改性多壁碳纳米管意义就是提高了纳米复合材料的机械性能。多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的拉伸强度从102兆帕（纯的聚酰亚胺）增加到134兆帕（6.98wt酸改性多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料）。2006 El
3、sevier公司保留所有权利。关键词：碳纳米管，聚酰亚胺，形态学，电性能，热性能，机械性能1、介绍 自从S.Jima于1991年初步确定了碳纳米管CNT的结构 1, 碳纳米管（CNT）已经激发了许多有趣的研究领域。碳纳米管CNTS具有优异的电2、机械 3、热和磁学性能4 ，低密度，高比表面积和高的化学稳定性 5-7 。碳纳米管/聚合物复合材料，包括如聚乙烯（PE） 8、聚丙烯（PP） 9 、聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）、10聚酰胺 11和聚氨酯 12,13 等基体已经被研究。聚酰亚胺是一类因为具有高的热稳定性良好的介电性能和耐化学稳定性，而被人们所熟知的聚合物。聚酰亚胺已经被应用在复合材料
4、和微电子产业 14。 碳纳米管/聚酰亚胺纳米复合材料是特别有趣的 15-21 。Zhu等人22，通过混合酸改性碳纳米管与聚（酰胺酸）改性的多壁碳纳米管（PAA）制备的碳纳米管/聚酰亚胺复合材料，这些化学接枝聚酰亚胺到碳纳米管表面的方法大部分已经报道过了2325。曲等人，23接枝4，4- （六氟异丙烯）二酞酸酐/ 1,3 -二（3 - aminephenoxy） -苯聚酰亚胺到单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管的表面MWCNT。 在这项研究中，多壁碳纳米管被使用混合酸（硝酸/ 硫酸）和胺改性。 聚酰胺酸是通过4,4-二氨基二苯醚（ODA）与3,3，4,4-二苯酮四甲酸二酐（BTDA）反应来
5、制备的。未改性的和改性的碳纳米管加入到聚酰胺，接着被加热到接近300，以形成多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料。聚酰亚胺是通过4,4-二氨基二苯醚（ODA）与3,3，4,4-二苯酮四甲酸二酐（BTDA）反应制备得来的，其表现出优异的热稳定性和良好的机械性能。 羧酸和胺基官能团的作用就是用来改性多壁碳纳米管。-COOH官能团成型在酸改性的多壁碳纳米管的表面上，-NH2官能成型在胺改性多壁碳纳米管表面。该COOH和NH2在多壁碳纳米管表面对聚酰亚胺有不同的作用。多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的拉伸强度随着酸改性的多壁碳纳米管（MWCNT）的含量增加而增加。然而，未改性的多壁碳纳米管（MWCNT）/聚酰
6、亚胺复合材料比已改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料具有更好的导电率。2、 实验2.1、材料多壁碳纳米管可以从中国深圳纳米港公司得到，碳纳米管CNT的直径是40-60nm，长度为0.5-40m。ODA（己二酸异辛癸酯）和BTDA（ 二苯酮四羧酸二酐）可以从美国的堪萨斯州，特伦斯利伍德，克里斯健公司得到。乙二胺（EDA），可以通过Fairfield，OH，USA的兰开斯特公司供给。99纯度的N，N-二环己基羰基-二酰亚胺(C13H22N2 DCC)以，可以由美国的ACROS有机公司供给。2.2、聚酰亚胺的前体合成（聚酰胺酸）聚酰亚胺的前体（聚酰胺酸），是通过4,4-二氨基二苯醚（ODA）与3,3
7、，4,4-二苯甲酮四酸二酐（BTDA）在室温下搅拌3小时反应制得的。 其中4,4二氨基二苯醚（ODA）与3,3，4,4-二苯甲酮四酸二酐BTDA的摩尔比为1:1。2.3、酸改性的多壁碳纳米管 碳纳米管是通过硫酸与硝酸的重量比3:2，并且把硫酸加入到硝酸中的混合酸再加入到多壁碳纳米管中（其中混合酸与多壁碳纳米管的重量比是400：1），在50下搅拌24小时，从而得到的酸改性多壁碳纳米管 26 。多壁碳纳米管酸处理之后，使用去离子水洗涤，过滤并在100下干燥。2.4、酸改性的多壁碳纳米管的胺改性 碳纳米管经过酸处理后具有-COOH基团（在乙醇溶剂中），通过乙二胺EDA /二环己基碳（DCC）/四氢呋
8、喃（重量比为20:20:1）溶液中处理，被进一步功能化。在室温搅拌48小时反应，生成胺改性的多壁碳纳米管 26 。2.5、多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备 在被倒入塑料盘之前，未改性或改性的多壁碳纳米管分别被添加到的聚（酰胺酸）溶液中并且通过声波降解法分散。把该多壁碳纳米管/聚（聚酰胺基酸）溶液置于60烘箱中以除去溶剂，在被加热到300前形成多壁碳纳米管/聚酰亚胺薄膜。3、 特性描述3.1。 傅立叶变换红外光谱傅里叶变换红外光谱（FT-IR）碳纳米管的光谱范围被记录为400至4000-1，是采用美国Nicolet阿凡达320 FT-IR光谱仪，从美国Nicolet仪器公司，麦迪逊，威斯康星
9、州，美国。 将样品涂布在CaF2板上并且在真空烘箱中于120的烘烤中干燥，然后将其进行测试。最小的32次扫描的平均值与一个信号分辨率2-1400- 40001的范围。3.2。 扫描电子显微镜多壁碳纳米管/聚酰亚胺COM-的表面形貌是使用扫描型电子显微镜观察的.（SEM）（JEOL JSM 840A，日本）。3.3。 透射电子显微镜 透射电子显微镜（TEM），JEOL-2000FX（日本），被用来观察多壁碳纳米管/聚酰亚胺纳米复合材料的形态。一个纳米复合材料膜厚度为100nm 微分音然后敷在200目铜网的透射电镜上观察。3.4、 拉伸性能拉伸强度是使用英斯特朗电子拉力机Instron在室温下进行
10、测试的，型号是4488。 测试步骤是美国材料试验学会ASTM-D882的。 测试样本尺寸是50毫米5毫米0.1毫米左右。 十字头速度为2mm /分钟。 最少每个共同位置进行测试。要记录平均值和标准偏差。3.5、 电性能表面和体积电阻率用ultra Mesohmeter SM-8220测量，（DKK TOA公司，日本东京）。 表面和体积的电阻率是使用一种40毫米40毫米0.1毫米的薄膜与碳胶连接。 测试是用电压为100V，当前的电流，进行30秒，其中温度为25、相对湿度为50。3.6。 玻璃化转变温度（Tg）的玻璃化转变温度（Tg）的测定是使用示差扫描热量计（DSC）（TA仪器厂目DSC Q-1
11、0）。测试数据以10/ min的升温速度，由50升到350。 至少每种组合物要进行三个样品的测试。图1、 未改性的多壁碳纳米管红外光谱（a），酸改性的多壁碳纳米管（b）和胺改性的多壁碳纳米管（c）。4、结果与讨论4.1、 傅里叶变换红外光谱图。 1a显示的是未改性的碳纳米管FTIR红外光谱，其特征波数为3000-2800-1，相当于-CH的伸展、特征波数为1711-1相当于C O伸展。 红外光谱FTIR的结果（-CH拉伸）表明多壁碳纳米管包含缺陷，这中缺陷可能在加工成型过程中形成的。图 1 b显示酸改性的碳纳米管的FTIR光谱：羧基官能团拉伸（COOH）出现在1720-1。 图表显示在波数16
12、10至1550-1，1075至1010-1，3000-2800-1与3650-3000-1是COO非对称拉伸的吸收峰，-OH的伯醇，-CH伸缩和-COO拉伸，分别地。 图 1 c显示胺改性碳纳米管红外光谱：它的特征波数是3530-3400-1相当于-NH拉伸吸收量。 酰胺基的N-H弯曲度是1633-1和-COO拉伸度是1655-1。红外光谱表明，碳纳米管被酸和胺成功的改性了。图2是，多壁碳纳米管的缩影照片。a是未改性的多壁碳纳米管（50000*）b是酸改性的多壁碳纳米管（50000*），c是胺改性的多壁碳纳米管（50000*）。4.2、 扫描电子显微镜图2 、显示的是未改性的多壁碳纳米管（ 图
13、2a）、酸改性的多壁碳纳米管（ 图2 b）和胺改性的多壁碳纳米管（ 图2c）扫描电镜显微照片。 所有的改性和未改性的多壁碳纳米管是卷曲并且混乱的。然而，酸改性和胺改性多壁碳纳米管的长度比未改性的多壁碳纳米管要短。图3、（ab）纯净的聚酰亚胺的SEM显微照片（a*50,000;b*10000）;（cd）是未改性的碳纳米管复合材料聚酰亚胺（c*50,000;d*10,000）;（ef）是酸改性的碳纳米管复合材料聚酰亚胺（e*50,000;f*10000）;（gh）是胺改性的碳纳米管复合材料聚酰亚胺（g*50,000；h*10000）。图。 3 显示多壁碳纳米管复合材料的扫描电镜显微照片。 图。 3
14、 a和b显示了纯净聚酰亚胺的横截面扫描电镜SEM显微照片。 很多空穴显示分布在整个纳米规模的疏松材料上，或许是在300条件下通过酰亚胺化除去溶剂时形成的。图 3 的c和d显示未改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料部分COMPOS-横截面的SEM显微照片。结果表明，未改性的多壁碳纳米管已经进行了聚合。酸改性的多壁碳纳米管和胺改性的多壁碳纳米管被有效地分散在聚酰亚胺基体内。 比较 图 3 e和f和g和h显示了酸改性的多壁碳纳米管和胺改性的多壁碳纳米管的扫描电镜显微照片是相似的。4.3、 透射电子显微镜图 4 显示出了纳米复合材料的TEM显微照片。 图 4 a和b显示的是未改性的多壁碳纳米管-其含有
15、直径在30-60纳米的颗粒在聚酰亚胺基体内。 所述纳米颗粒来自无定形碳的杂质，可通过酸处理除掉。据供应商所说，未改性的多壁碳纳米管大约包含近似3.2的无定形碳。在我们以前的研究中13 ，未改性的多壁碳纳米管用X射线XRD和电子差速锁EDS为特征，没有产生任何金属信号。 图 4 b中显示了大部分的纳米颗粒沉积在碳纳米管的表面上，其中的一些分散在整个聚合物基体内。图 4 C-F显示没有任何纳米粒子在酸改性多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料基体内。这些粒子可能是在酸改性时被去除。 图 4 c和d发现该酸改性的多壁碳纳米管是直的，其中一些聚集成束，并且分散在聚合物基体内。酸改性的多壁碳纳米管的直径为约20-30纳米，小于未改性的多壁碳纳米管（30-60纳米）。由于混合酸腐蚀了多壁碳纳米管，多壁碳纳米管的长度在酸改性后均减小。 透射电子显微镜照片显示，未改性的和酸改性的多壁碳纳米管，是卷曲的并缠结多壁碳纳米管表明多壁碳纳米管在聚酰亚胺基体内是直的。 300下的亚酰胺化反应可以改变未改性多壁碳纳米管的结构和酸改性的多壁碳纳米管结构。 图 4 e和f显示的是卷曲和缠结在聚合物机内的氨改性的多壁碳纳米管。该氨基改性的多壁碳纳米管的直径大约为20-30纳米，这比未改性多壁碳纳米管小，并且类似于酸改性的碳纳米管（20-30纳米）。4.4、电性能多壁碳纳米管具有高的纵横比和-键
