溶液法和熔融法制備聚苯乙烯/碳納米管復合材料及其性能研究

王一科

（武漢紡織大學，湖北武漢430200）

緒論

碳納米管自從1991年被發現以來，以其特有的準一維管狀分子結構，迅速成為化學、物理及材料科學領域的研究熱點[1]。

1 實驗部分

1.1 主要實驗材料

碳納米管（CNTs）,中國科學院成都有機化學有限公司；聚苯乙烯（PS）,上海賽科石油化工有限責任公司生產。

1.2 溶液法制備復合材料

分別稱取一定量的碳納米管和聚苯乙烯置于6個燒杯中，對應碳納米管的質量分數0%、2%、4%、6%、8%、10%。依次加入溶劑四氫呋喃，攪拌后封膜，超聲波處理4 h；超聲完后將混合液涂覆成膜，然后置于真空烘箱下干燥，取出得到溶液法聚苯乙烯/碳納米管復合材料。

2 結果與討論

2.1 熔體流動速率

表征熔融指數無需將材料復合，只需均勻混合分散。實驗過程中負荷砝碼2.160 kg，溫度設定為220℃，每60 s轉刀一次。

2.2 接觸角

數據顯示測試所得接觸角皆小于90°，所有材料都表現出弱親水性。碳納米管含量升高，其親水性越來越弱，可見碳納米管納米級分散之后，材料的表面特性得以改變。

2.3 電子掃描電鏡

SEM圖顯示純PS斷面呈層片狀分布,屬典型的脆性斷裂范疇,表明PS中有大量的應力集中點和結構缺陷。PS/2%CNTs復合材料斷面有明顯改變,白亮點的CNTs被PS包裹在其中,少量CNTs因材料斷裂裸露在外而呈白線狀,說明該材料中大部分CNTs與基體PS有結合較好的界面,只有少量CNTs與基體連接不好。CNTs為4%，6%時材料斷面形貌中基本沒有白亮點,而以“白線”居多,此時CNTs在PS中能較好分散。

表1 熔體流動速率測試

表2 溶液法和熔融法PS/CNTs復合材料接觸角

圖1 溶液法和熔融法PS/CNTs復合材料斷面掃描電鏡

表3 熔融法PS/CNTs復合材料沖擊強度與電導率

2.4 沖擊強度與電導率

結果表明碳納米管能改善PS力學性能，碳納米管的含量在4%時,其沖擊強度達到最大值。電導率數據說明純PS基體是絕緣體；2%CNTs復合材料的電導率增加到6.45×10-11S/cm；當CNTs的含量達6%之后，電導率增加了2個數量級。

3 結論

實驗顯示，碳納米管的加入會使復合材料流變性能變差，潤濕性能變差。碳納米管可以明顯改善PS基體的力學性能和電學性能，CNTs含量為4%-6%時，復合材料表現出十分優良的綜合性能；當CNTs含量增加至6%以上時，碳納米管會在復合材料中出現團聚，材料的性能反而受到影響。