碳納米管的分散及力學性能

碳納米管的分散及力學性能碳納米管雖然具有諸多優(yōu)異性能，并能顯著增加材料的各項性能，但本身作為高分子材料，分子量較小，管徑很小，比外表積大，外表能大，格外簡潔團聚在一起，這樣則會產(chǎn)生反效果〔如？D1所示〕，尤其是對碳納米管的復合材料而言，這些團聚起來的碳納米管管徑小以難分散開，同時材料中也會消滅應(yīng)力集中點，會減弱材料性能，因此在使用碳納米管增加材料的性能及應(yīng)用在其他方面都必需要將碳納米管完全分散以到達最正確的使用效果。碳納米管分散碳納米管的分散主要使用物理或者化學方法。團聚體的分散方法主要包括機械攪拌、添加外表活性劑、超聲波處理等，所以對碳納米管的分散方法也主要由這些方法進展而來，物理方法主要有碾磨、球磨、超聲波等；化學方法主要有添加外表活性劑、強酸強堿洗滌等；還可承受原位合成法制備碳納米管復合材料。強酸洗滌碳納米管外表存在一些缺陷，而通過使用強酸強堿的強氧化性可將其溶斷，再將它們分散[1]。強酸洗滌可以把團聚體外表的碳納米管溶斷分散，但無法進入團聚體內(nèi)部，因此溶液中也就會存在微小的碳納米管團聚，需要額外的工序?qū)⑵淙コ?。聚合物溶劑于作龍[2]等公開了一種分散碳納米管的方法，即先把碳納米管加到具有肯定粘度的聚合物溶體中，然后通過研磨裝置把碳納米管均勻分散在聚合物中，同時碳納米管也會在摩擦力和聚合物內(nèi)部的剪力等作用下被截斷，最終去除聚合物即可。但使用這種方法無法解決團聚問題，所以效果并不是很好。超聲波分散超聲波處理的作用可分為兩方面：一是由于多壁碳納米管的管壁上存在著小洞樣子的缺陷，運用超聲波處理可以使得碳納米管從缺陷處被震斷縮短從而進展分散。不過可以預(yù)見的是在震斷的同時也會將碳納米管團聚物震的更加緊實，反而更加難以分散。二是在溶液中的產(chǎn)生了大量微小氣泡，通過這些氣泡“炸開”產(chǎn)生的具有較大能量的沖擊波使得四周依靠范德華力結(jié)合在一起的碳納米管被震開，這樣也就到達了分散的目的。原位生長合成法原位生長合成法是通過碳納米管制備工藝，以化學氣相沉積法為主，在基體材料外表原位生長出碳納米管，甚至是定向排列的碳納米管[3]。使用此方法可以在制備碳納米管的同時就分散，這樣就避開了碳納米管的團聚。但是該方法工藝繁雜限制條件很多而且不簡潔掌握，并且制備出的復合材料致密度較低，反而無法凸顯出碳納米管的優(yōu)越性能。外表修飾法目前常用的修飾法分共價修飾法與外表活性劑〔SAA非共價修飾法兩種。共價化學修飾法就是把碳管外表氧化或引進有機官能團從而修飾碳納米管外表[4]，主要分為強氧化劑處理法、酯化修飾法、烷基化修飾法等。這種方法可使碳納米管外表或被縮短的碳納米管末端的翻開，使其末端含有肯定數(shù)量的活性基團如羥基等。這樣不僅增加了碳納米管的親水性使其易溶于水等溶液中，而且為與其它物質(zhì)或基團反響供給了根底，進而可與親水基體材料產(chǎn)生較好復合均勻度和黏結(jié)界面強度。而外表活性劑非共價修飾法在有效分散碳納米管的同時不會對碳納米管的性能產(chǎn)生負面影響[5]。外表活性劑分為離子型與非離子型兩種。不管哪種外表活性劑都會吸附包裹在碳納米管外表，而不會破壞碳納米管的構(gòu)造，離子型外表活性劑吸附在碳納米管外表，主要依靠親水基團之間的靜電斥力阻擋碳納米管之間的聚攏，非離子型外表活性劑|碳納米管分散體系也是基于吸附機理，而其頭基和尾基雜亂、隨機地吸附在的管壁上保持體系穩(wěn)定。應(yīng)用狀況目前，碳納米管的分散方法包括機械攪拌法、超聲處理法、電場誘導法、外表修飾法〔共價修飾、非共價修飾〕等，但單一方法都存在無法去除團聚的缺陷，所以在實際運用中多留意以上幾種方法的綜合使用。力學性能碳納米管基材料有多種應(yīng)用方式，主要應(yīng)用于塑料，電氣原件，以及金屬基中可以顯著提升它們自身的性能，為當下要求越來越高的設(shè)備供給優(yōu)秀的原件以便使用。下面以水泥基為例，研究參加MWCNT后它各項力學性能的變化?？箟簭姸软n瑜在他2023-2023年中所做的試驗中，在掌握水灰比為0.35的狀況下，隨著碳納米管用量的增加，比較了水泥抗壓強度的不同。試驗測試了六組試件〔N0-N5,NO為空白比照組〕，MWCNT的用量分別為0.00、0.05、0.08、0.10、0.12、0.15〔wt%〕，GA0.00、0.30、0.48、0.60、0.72、0.90〔%，TBP0.13%，在這樣的狀況下，抗壓強度分別為77.4、82.9、83.1、84.5、80.8、73.0〔MPa〕，N1-N5N0得抗壓強度增長分別為7.1、7.4、9.2、4.4、-5.7〔%〕。有上述數(shù)據(jù)可以看出，參加MWCNT后水凈泥漿的抗壓強度得到顯著增加，在MWCNT0.1wt%時，水泥的抗壓強度到達最高為84.5MPa,與空白試件相比提升了9.2%，然后隨著MWCNT用量的增加，試件抗壓強度反而下降甚至低于空白試件，這種現(xiàn)象應(yīng)是碳納米管用量過多導致團聚造成的。2.2抗折強度在測試抗折強度時，仍舊掌握水灰比為0.35，測試了六組試件〔N0-N5〕,MWCNTsGATBP的用量與測試抗壓強度全都。在這狀況下，測得其抗折強度分別為11.0、11.7、15.8、15.0、13.1、10.5〔MPa,N1-N5N0比照抗折強度的增幅分別為6.4、43.6、36.4、19.1、-4.5〔%〕。[6] 抗折強度變化趨勢和抗壓強度類似，不過提升更為明顯，當MWCNT用量為0.08wt%時，試件N2的抗折強度最高為15.8，與空白試件相比提升了43.6%。參數(shù)變化的影響除根本的力學性能外，摻量準時間等參數(shù)對于水泥基碳納米管的力學性能也有著較大的影響。摻量變化當隨著MWCNT參加后，試件的力學強度提升顯著。砂漿的抗壓強度隨著碳納米管的摻量增加而增加，當摻量為 0.1wt%時，抗壓強度到達峰值89.4MPAa較空白試件提升21.6%，之后隨著碳納米管的摻量增加而降低?？拐蹚姸鹊淖兓癄顩r與其類似，當MWCNT摻量為0.8wt%時，試件的抗折強度到達峰值，較空白試件提升38.5%，但隨后降低趨勢較抗壓強度更平緩。時間變化試驗測試碳納米管摻量不同對于水泥砂漿的力學強度隨齡期變化的結(jié)果如圖2所示。由試驗結(jié)果可得抗折強度的大小隨齡期增長而增大。當齡期7H3強度最大，其他試件且均高于空白試件。在7天28H2H356天齡期時，抗折強度僅略高于28天時的測量值。其它試件普遍在28天到56天齡期時增長較快。試驗測試碳納米管摻量不同對于水泥砂漿的抗壓強度隨齡期變化的結(jié)果如圖3所示。由試驗結(jié)果可得，抗壓強度的大小也隨齡期增長而增大。在齡期為7H1、H2與空白試件相差不大。且28H1、H2其他均有較明顯的增長。在齡期在2856天之間，除了H5H6其他試件均沒有明顯增長。由上圖可知，隨著MWC