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1、毕业设计（论文）题 目 PS/CNTs复合材料的制备英文题目 Preparation of PS/CNTs Composites学生姓名 专 业 高分子材料班 级 指导老师 东华理工大学高等职业技术学院二0一0年五月摘要碳纳米管自被发现以来，由于其独特的力学、机械、电学和其它优异的特性而日益受到关注，成为物理、化学、材料科学最前言的研究领域之一。在这普及高等教育的时代，有关碳纳米管/高分子材料复合的研究非常活跃，在提高复合材料的导电、机械性能等方面有重大进展。比如聚苯乙烯/碳纳米管复合材料是近年来开发的新型聚合物基复合材料，具有独物的一维纳米管分散微结构，往往表现纯PS（或纯碳纳米管）更好的力
2、学、电学和热性能等，在很多领域有很大的应用前景。然而碳纳米管的很多优越性能还未完全表现出来，比如在力学性能方面，将纳米管填充的复合材料真正作为轻质、高强度、高抗冲击的材料，还需要许多工作要做。本文首先简要介绍碳纳米管和PS的结构性能、碳纳米管的表面修饰、碳纳米管/聚合物的制备方法，然后重点阐述了碳纳米管/聚合物力学、电学和热性能等方面的研究并对碳纳米管/聚苯乙烯复合材料的研究作了分析。关键词碳纳米管；聚苯乙烯；复合材料；导电AbstractThe discovery of carbon nanotubes (CNTs) had brought a widespread research for
3、 their unveiling the fundamental properties, fabrication techniques and novel applications. In this era of universal higher education and the carbon compound in nanotechnology research materials of the polymer was very active, the composite of electricity, mechanical properties for a significant pro
4、gress in. Such as carbon that polystyrene of composite in the development of the new composite construction with each of the independence of a decentralized small nm mind, often pure polymer (or carbon) that is the best mechanics, electricity and heat exchange performance, etc, in many areas have a
5、large application prospect. However, CNTs didnt take perfect application in the fields of the polymer/carbon nanotubes composites. To improve the properties of polymer/CNTs composites, there are more works to do, such as the dispersion of CNTs in a matrix or solvent. This article first briefly intro
6、duce the carbon nm and polymer to the structural and carbon nm of surface finish or carbon nanotechnology in the preparation of each approach and focus on the dynamics of each of nanotechnology, electricity and heat exchange performance of nanotechnology research and the carbon of polystyrene compos
7、ite of the analysis research.Key wordsCarbon nanotubes, polystyrene, nanecomposites, conductivity目录绪论11.碳纳米管与聚合物复合材料相关性能21.1碳纳米管与聚苯乙烯的结构性能21.1.1碳纳米管的结构性能21.1.2聚苯乙烯的结构性能31.2碳纳米管的表面修饰51.2.1有机共价键修饰51.2.2有机非共价键修饰61.3碳纳米管与聚合物复合材料的制备方法71.3.1聚合复合71.3.2 溶液复合81.3.3 熔融复合81.4碳纳米管与聚合物复合材料的性能91.4.1力学性能91.4.2电学性能
8、和光学性能91.5 CNTs/聚合物复合材料的应用102.实验102.1原材料102.2复合材料的制备112.2.1碳纳米管的化学修饰112.2.2聚苯乙烯的制备112.2.2.1CNT与PS复合112.2.2.2测试表征113结果与讨论123.1碳纳米管的分散性123.2红外谱图分析123.3形态分析133.4热重分析143.5 CNTs修饰对复合材料流变行为的影响164.结论17致谢19参考文献20绪论纳米科技是19世纪年代发展起来的一个覆盖面极广、多学科交叉的领域，近年来在全世界范围得到飞速发展。纳米复合材料一般是指分散相在三维尺寸上至少有一维小于100nm的一类复合材料，是当今国际纳米
9、科技行业中最活跃的前沿领域之一。预计在不远的将来，纳米科技将使材料加工和产品制造产生根本性变革。随着高分子材料的发展，纳米科技将成为世纪除基因工程外的另一大发展领域，它将给人类创造更多的新物质、新材料和新器件。近20年来，纳米材料的研究获得了极大的发展，世界各国都投入了很大的人力和物力，它的重要意义己经受到各国政府的高度重视。碳纳米管在纳米材料中最富有代表性，并且是性能优异的材料。它是由同轴纳米管组成的可看成被拉长的C60，简称CNTs。自从1991年日本科学家Iijima首先发现碳纳米管之后【1】，引起来国内外科学家的广泛关注。各种制备碳纳米管的方法相继被发明。碳纳米管具有优异的力学、光学、
10、电学、热学等性能，具有广阔的应用前景。碳纳米管与基体聚合物复合可使其力学性能和电学性能得到提高，可以作为高强度材料和抗高温材料等，碳纳米管可通过物理和化学修饰或钝化，可产生优异的化学、物理和生物性能。另外碳纳米管在医学方面也有广泛的应用。一般情况下，大批量生产碳纳米管存在许多缺陷，分散性也较差，特别是界面的结构会影响碳纳米各方面的性能，所以会降低碳纳米管作为纳米材料的优越性能，影响碳纳米管的应用。为了改善碳纳米管的表面结构，一般采用化学表面修饰来改善碳纳米管的分散性性以及与其他物质之间的相容性。为此，国内外的研究学者对碳纳米管开展了各种表面修饰的研究。1.碳纳米管与聚合物复合材料相关性能1.1
11、碳纳米管与聚苯乙烯的结构性能1.1.1碳纳米管的结构性能1991年，日本NEC公司的Iijima用高分辨透射电镜(TEM)分析电弧法产生的石墨阴极沉积物时，发现了具有纳米尺寸结构的碳的多层管状物，称之为碳纳米管(CNTs)。CNTs是一种新型的碳结构，可以形象地认为是由碳六边形的石墨片按一定的螺旋度卷曲而成的无缝纳米级管状结构，根据组成的石墨片层数的不同，CNTs可分为单壁碳纳米管(SWNTs)和多壁碳纳米管(MWNTs),如图1-1所示。CNTs的直径通常在零点几至一百纳米,长度可达厘米级，因此具有极大的长径比，每层纳米管是一个由碳原子主要通过SP2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六角
12、形网格结构组成的圆柱面，但是由于存在一定曲率，也包含一定比例的SP3杂化，直径较小的SWNTs，曲率较大，SP3杂化的比例也就较大。图1-1（A）SWNT形成示意图；图（B）MWNT示意图与传统使用的碳纤维（刚度和强度一般在230725GPa和115418GPa之间1）相比，CNTs具有更加优异的机械力学性能，单根MWNTs外层的拉伸强度和杨氏模量分别可达到63GPa和950GPa，而断裂应变则达到12%【2】，不仅如此，由于CNTs很轻,密度仅有约113g/cm3【3】使得它们的比强度和比模量非常高，也是其被设想为有可能作为制备地球与其同步轨道卫星间太空梯(space elevator)材料
13、的主要原因之一。更为可贵的是，CNTs还同时具备很高的导电和导热性能，是迄今发现的唯一同时具备高机械性能、热和电性能的超级材料。1.1.2聚苯乙烯的结构性能聚苯乙烯的分子链上交替连接侧苯基。由于侧苯基的体积较大，有较大的位阻效应，而使聚苯已烯的分子链变得更加硬，因此，玻璃化温度比聚乙烯、聚丙烯都高，且刚性脆性较大，制品易产生内应力。由于侧苯基在空间的排列为无规，则结构，因此聚苯乙烯为无定型聚合物，具有很高的透明性。侧苯基的存在使聚苯乙烯都可以进行。此外，侧苯基可以使主链上氢原子活化，在空气中易氧化生成过氧化物，并引起降解，因此制品长期在户外使用易变黄、变脆。但由于苯环为共轭体系，使得聚合物耐辐
14、射性，在较强辐射的条件下，其性能变化较小。聚苯乙烯为无色、无味的透明刚性固体，透光率可达88%90%，制品质硬，落地时会有金属般的声响。聚苯乙烯的密度在1.041.07之间，尺寸稳定性好，收缩率低。聚苯乙烯容易燃烧，点燃后离开火源会继续燃烧，并伴有浓烟。其性能具体表现如下：（1）力学性能 聚苯乙烯属于一种硬而脆的材料，无延伸性，拉伸时无屈服现象。聚苯乙烯的拉伸、弯曲等常规力学性能在通用塑料中是很高的，但其冲击很低。聚苯乙烯的力学性能与合成方式、相对分子质量大小、温度高低、杂质含量及测试方法有关。（2）热性能 聚苯乙烯的耐热性能较差，热变形温度约为7095 ，长期使用温度为6080。聚苯乙烯的热
15、导率较， 约为0.010.13W（），基本不随温度的变化而变化，是良好的绝热保湿材料。聚苯乙烯泡沫是目前广泛应用的绝热材料之一。聚苯乙烯的线膨胀系数较大，为（68）105K1，与金属相差悬殊甚大，故制品不易带有金属嵌件。此外，聚苯乙烯的许多力学性能都显著受到温度的影响。（3）电学性能聚苯乙烯是非极性的聚合物，使用中也很少加入填料和助剂，因此具有良好的介电性能和绝缘性，其介电性能与频率无关。由于其吸湿率很低，电性能不受环境温度的影响，但由于其表面电阻和体积电阻均较大，又不吸水，因此易产生静电，使用时需加入抗静电剂。（4）化学性能 聚苯乙烯的化学稳定性比较好，可耐各种碱、一般的酸、盐、矿物油、低级醇及各种有机酸，但不耐氧化酸，如硝酸氧化剂的侵蚀。聚苯乙烯还会受到许多烃类、酮类及高级脂肪醇的侵蚀，可溶于苯、甲苯、乙苯、苯乙烯、四氯化碳、氯仿、二氯甲烷以及酯类当中。此外由于聚苯乙烯带有苯基，可使苯基位置上的氢活化，因此聚苯乙烯的耐气候性不好，如果长期暴露在日光下会变色变脆，其耐光性、氧化性都较差，使用时应加入抗氧剂。但聚苯乙烯具有较优的耐辐射性。聚苯乙烯是一种无定形的聚合物,没有明显的熔点，从开始熔融流动到分解的温度范围很宽，约在1
