碳納米管改性乙烯基樹脂的制備及性能探究

劉小艷，周茂昆，劉 巖

（河海大學力學與材料學院，南京，210098）

碳納米管改性乙烯基樹脂的制備及性能探究

劉小艷，周茂昆，劉 巖

（河海大學力學與材料學院，南京，210098）

本文通過超聲分散的方法將碳納米管（CNT）分散到乙烯基樹脂中，研究了超聲儀器、超聲時間以及偶聯劑種類對其分散效果的影響。試驗發現，選取KH560作偶聯劑，使用超聲波破碎機超聲2h，可以達最優分散效果。結果表明，CNT改性乙烯基樹脂的力學性能隨CNT的摻量增加而提高。

碳納米管；乙烯基樹脂；分散；力學性能

0 前言

鋼筋銹蝕造成的混凝土構筑物破壞，嚴重影響甚至危及房屋建筑、工程建筑以及工業生產設備的安全性。解決混凝土中鋼筋的銹蝕問題一直是混凝土材料與工程技術開發的重要任務。國外學者經過三十多年的研究，認為采用纖維塑料筋(FRP筋)是徹底解決鋼筋銹蝕問題的一個行之有效的方法。纖維增強復合材料(FRP)自20世紀40年代問世以來，在航空航天、汽車、化工、醫學和機械等領域得到了廣泛的應用。

作為鋼筋新型代替材料的FRP筋與普通鋼筋或高強鋼絲相比，總體上具備如下優點：抗拉強度高；抗腐蝕性能良好；密度小；FRP的熱膨脹系數與混凝土相近，不會產生大的溫度應力。FRP筋具有優異性能的同時也存在一定的缺點：彈性模量小；抗剪強度低；成本較高；熱穩定性差。如能克服其中一個或幾個缺點，將能有效的提高FRP筋的性能。本文擬將碳納米管分散到乙烯基樹脂中，以提高其彈性模量等力學性能，研究了超聲儀器、超聲時間以及偶聯劑種類對碳納米管分散效果的影響。

1 實驗

硅烷偶聯劑KH550、硅烷偶聯劑KH560、鈦酸酯偶聯劑NDZ-311W，南京曙光化工有限公司；第三相有機溶劑苯乙烯、乙烯基樹脂，金陵帝斯曼樹脂有限公司；多壁碳納米管（MWNT），中國科學院成都有機化學有限公司，物理性能見表1。

表1 MWNT的主要物理性能

本試驗中考慮到樹脂的粘度很大，不利于碳納米管的分散，所以先將碳納米管分散到第三相有機溶劑中，再將所得的分散液分散到樹脂中。

2 試驗結果與討論

2.1 超聲儀器對分散性的影響

實驗室有超聲波清洗機跟超聲波破碎機兩種超聲儀器，由于其超聲機理不同，所以超聲效果將差別很大。由于超聲波清洗機的功率固定為80w，而超聲波破碎機的功率為0-1000w范圍內可調，所以選取超聲功率80w；超聲時間定為1h。其余條件定為：CNT摻量為0.05%，第三相有機溶劑為苯乙烯，偶聯劑選取

KH550，CNT：偶聯劑=1:20。

圖1 不同超聲儀器的兩種分散液的對比

圖1 是靜置15min后的兩種分散液的對比，從圖中可以看出超聲波破碎機處理的分散液比較均勻，而超聲波清洗機處理的分散液底部已經出現碳納米管沉淀，這是由于超聲波破碎機是從溶液內部工作，直接作用在碳納米管上，更容易打散碳納米管。綜上，超聲波破碎機的分散效果要優于超聲波清洗機。

3.2 偶聯劑的種類對分散性的影響

選擇市售最常用的三種偶聯劑做對比實驗。由于CNT在苯乙烯中的分散效果很差，不利于分散效果的觀察，根據相似相溶原理，此處選擇乙醇替代苯乙烯作第三相有機溶劑。固定CNT的摻量為0.05%，超聲時間為1h，超聲功率為80w。通過靜置，觀察比較其沉降時間，得出最優偶聯劑種類。

圖2 靜置30min后摻加不同偶聯劑分散液的對比

圖3 靜置90min后摻加不同偶聯劑分散液的對比

通過比較圖2跟圖3，偶聯劑KH560的分散效果要優于其他兩種。這是由于KH560中帶有羥基官能團，而所使用的碳納米管表面帶有羧基官能團，兩者之間會形成氫鍵。而KH550跟NDZ-311W與碳納米管之間主要是由范德華力作用，由于氫鍵作用強于范德華力，所以KH560的分散效果要比其他兩種好。

2.2 超聲時間對分散性的影響

選取最優偶聯劑種類和摻量，CNT摻量為0.05%，超聲功率為80w，進行超聲試驗。每隔15min取樣20ml做靜置實驗，共取8組試樣。通過靜置沉降時間情況確定最優超聲時間。往后沉降時間趨于一致，此時對應的超聲時間即為最優超聲時間。

圖4 不同超聲時間下的分散效果

圖4 為0.05%CNT摻量，KH560作偶聯劑，每15min取樣，靜置2h。由圖中可以看出，15min時分層很明顯，隨超聲時間延長，分散效果越好，至105min和120min時幾乎無區別。可以得出，超聲時間越長，碳納米管的分散效果越好，以2h為佳。

2.3 碳納米管改性乙烯基樹脂性能研究

2.3.1 碳納米管改性乙烯基樹脂的制備

首先制備CNT-苯乙烯分散液，選用超聲波破碎機，功率80W，超聲時間為2h，KH560作偶聯劑；將得到的分散液與樹脂混合，高速剪切攪拌均勻；放入真空機中抽真空，除去氣泡，添加固化劑、阻聚劑、促進劑等，再注入模具，固化12h后取出；拆模，并按照德國標準切割成條狀；在100℃下再固化3h，最終得到試樣。相關儀器設備見圖5。

圖5 相關儀器設備

2.3.2 碳納米管改性乙烯基樹脂性能研究

主要測試了CNT樹脂復合材料的力學性能，見表2。

表2 CNT樹脂復合材料的力學性能

由表2可以看出，隨著CNT摻量的增加，樹脂的彈性模量總體呈增加趨勢，當CNT的摻量為0.2%時，彈性模量提高了約10%，沖擊強度降低了50%。由于測量精度和分散均勻程度不同，數據出現了些許波動。拉伸模量跟斷裂延伸率總體隨CNT摻量增加而遞減，沖擊強度隨CNT摻量的增加呈現遞減趨勢。

3 結語

由上可知，以KH560作偶聯劑，使用超聲波破碎機超聲2h，可以得到較好的分散效果。從制備的碳納米管改性乙烯基樹脂的性能測試中發現，碳納米管可以提高樹脂的彈性模量等力學性能，且隨著碳納米管摻量的增加，效果越好。

在今后的研究中，還可以引入不同的第三相溶劑作參考，還可以對偶聯劑的摻法及摻量進行優化，還能對溶劑樹脂的混合方式進行改進，等等，進一步提高CNT在樹脂的分散效果，最終得到性能優良的CNT改性樹脂，以應用于各行各業，實現樹脂的多元化應用。

[1] 洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與保護[M].北京:中國鐵道出版社,1998:1

[2] 柯偉.中國腐蝕調查報告[M].北京:化學工業出版社, 2003: 2-6.

[3] BAKISCE,BANKLC.Fiber-Reinforced Polymer composites for construction:state-of the-art review[J]. J Composite Construct ASCE,2002,6(2):73-87.

[4] 王力軍,張本秋,劉亞鳳.纖維混凝土技術及其應用[J].黑龍江水利科技, 2004,(4):74

[5] 張紅州,劉鋒,李麗娟等.纖維混凝土的研究與應用現狀[J].新型建筑材料,2003,6:12

[6] Iijima S.Helicial microtubes of graphitic carbon[J]. Nature.1991,7(354):56-58.

[7] 于英俊,唐海花,馬傳國.制備工藝對CNT s/ EP 復合材料性能的影響[M].桂林電子科技大學學報,2009,4(2): 112-116.

[8] 朱利明,有關相似相溶規律的討論[J].大學化學, 2003(01)

Study on Preparation and properties of carbon nanotube modified vinyl resin system

Liu Xiaoyan，Zhou Maokun，Liu Yan
(School of mechanics and materials,Hohai University，Nanjing，210098)

In this paper,ultrasonic dispersion method was used to disperse the carbon nanotubes(CNT)into the vinyl resin.The effects of ultrasound machines,ultrasonic time and sort of coupling agent on the dispersion were studied.It was found that selecting coupling agent KH560,and using ultrasonic crusher for 2h,the optimal dispersion effect reached.The results showed that the mechanical properties of CNT modified vinyl resin increased with the increase of the dosage of CNT.

carbon nanotubes;vinyl resin;dispersion; mechanical property