羥基多壁碳納米管改性PBT性能研究

黃富林 ，李均立，黃曉梅

(佛山顧地塑膠有限公司，廣東 佛山 528522)

碳納米管具有完善的結構和優異的性能，已在聚合物改性領域得到廣泛的應用。由于碳納米管和聚合物相容性較差，常在碳納米管表面上接上功能基團[1]以其改善分散和增加相容性。賈志杰[2]等人采用硝酸對碳納米管進行了處理，在碳管表面引入羧基,然后通過原位聚合法制備了碳納米管尼龍復合材料；李中原等[3]在多壁碳納米管表面接枝上胺基，然后用原位聚合法制備了尼龍6/多壁碳納米管復合材料，均取得較好的改性效果。

聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)為五大通用工程塑料之一，具有優秀的力學性能、電性能、耐熱性能和加工性能，被廣泛應用于電子電器、汽車工業和機機械零件等領域。但PBT也存在諸如機械性能并不突出、熱變形溫度低等不足，限制了其應用，因此需要PBT進行改性[3]。

在制備聚合物復合材料方法中，熔融共混法相對容易實現，具有工業化生產的優勢。本文利用熔融共混法制備了PBT/羥基多壁碳納米管復合材料，研究了其玻璃化轉變溫度、流變性能、力學性能和耐熱性能，取得了較好的改性效果。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，牌號為XY1120，江蘇揚州天行健化工有限公司；羥基化多壁碳納米管 (OH-MWCNT)，內 徑5-10nm，外徑10-30nm，長度10～30μm，羥基含量>2.48wt%，江蘇碳豐科技有限公司。

1.2 儀器設備

實驗雙螺桿擠出造粒機組，SJ-20，江蘇南京杰亞擠出裝備有限公司；動態熱機械分析儀，DMA1，梅特勒-托利多公司；旋轉流變儀，ARES-G2，美國TA儀器有限公司；維卡熱變形溫度測定儀，XRW300，承德聚緣檢測儀器設備廠；懸臂梁沖擊試驗機，JJ20，承德金建儀器設備有限公司；微機控制萬能材料試驗機，CMT6001，深圳新三思材料檢測公司。

1.3 試樣制備

PBT使用前先進行干燥(100℃真空干燥2h)。將配比好OH-MWCNT和干燥后的PBT投入到高速混煉機中混合3 min。然后將混合好的物料在雙螺桿擠出機組中造粒，擠出機溫度控制在230 ℃左右。粒料干燥后，在注塑機中控制相同注塑溫度范圍內注射成型成標準試樣供測試。

1.4 性能測試

動態熱機械性能分析：單懸臂梁，振動頻率 1 Hz，掃描溫度范圍為室溫～125℃，升溫速度為3℃/min；動態流變性能采用平板式旋轉流變儀測定，小幅振蕩，平板直徑為25 mm，平板間距為1 mm，溫度設為250℃，角頻率范圍為0.1～600 rad/s；維卡軟化溫度按GB/T1663-2000測試(B120法)；拉伸強度按 GB/T1040.1-2008在室溫下進行測試；缺口沖擊強度按GB/T1843-2008在室溫下進行測試。

2 結果與討論

2.1 動態熱機械性能

圖1 不同OH-MWCNT含量PBT/OH-MWCNT復合材料的tanδ隨著溫度變化曲線

圖1是PBT及不同用量PBT/OH-MWCNT復合材料的損耗角正切(tanδ)隨著溫度變化曲線。從圖中可以看出，與純PBT相比，PBT/OH-MWCNT的tanδ的振幅值降低，tanδ峰向高溫方向移動；純PBT曲線峰為55.6 ℃，OH-MWCNT含量1 %時為峰值溫度增加到57.6 ℃，含量2%時增加到58.1 ℃。表明OH-MWCNT與PBT基體間具有良好界面相容性、產生了較強的界面粘結作用，限制了PBT鏈段的運動，提高了玻璃化轉變溫度[4]。其原因可能是PBT在OH-MWCN表面進行異相成核而結晶，從而形成較強成核-結晶作用力[5]，有效增強了OH-MWCNT與PBT基體之間的界面粘接。

2.2 動態流變性能

圖2 不同OH-MWCNT含量PBT /OH-MWCNT復合材料的復數黏度隨角頻率變化曲線

圖2 為PBT及不同用量OH-MWCNT的 PBT/OH-MWCNT復合材料的復數黏度(η*)隨角頻率(ω)的變化曲線。從圖中可以看出，OH-MWCNT的加入使復合材料復數黏度降低，高頻下的剪切變稀的特性減弱。其原因可能是OH-MWCNT上的羥基導致了PBT的降解，降低了PBT的分子量，從而降低了熔體黏度和呈現出剪切變稀特性減弱。

2.3 耐熱性能

圖3 OH-MWCNT含量對PBT/OH-MWCNT復合材料維卡軟化溫度的影響

圖3為羥基多壁碳納米管含量對PBT/OH-MWCNT復合材料維卡軟化溫度的影響。從圖中可以看出，，復合材料的維卡軟化溫度隨著羥基多壁碳納米管含量的增加不斷增加：純PBT為181.7℃，在OH-MWCNT含量為2%時復合材料的維卡軟化溫度達190.5℃，提高了8.8℃，OH-MWCNT表現出極佳的增強耐熱功能。其原因可能OH-MWCNT與PBT的界面具有較強粘結作用，限制了PB鏈段的熱運動，提高了材料的耐熱性能。

2.4 力學性能

圖4 OH-MWCNT含量對PBT/OH-MWCNT復合材料拉伸強度和沖擊強度的影響

圖4為OH-MWCNT用量對PBT/OH-MWCNT復合材料拉伸強度和缺口沖擊強度的影響。從圖4中可以看出，隨OH-MWCNT含量的增加，復合材料拉伸強度不斷增加。OH-MWCNT含量為2 %時，復合材料的拉伸強度增加了17.1 %，表現出較好的增強效果。增強的原因可能是因為OH-MWCNT本身具有較大的剛性且與PBT基本存在較強的界面粘合，有利于承擔更大的載荷。從圖4中還可看到，在實驗范圍內，OH-MWCNT含量對復合材料的沖擊強度影響不大。這是因為OH-MWCNT與PBT基體存在較好的相容性，可以傳遞一定的載荷，表現出一定的增韌作用。但另一方面， OH-MWCNT的羥基可能導致了PBT的降解，使分子量降低，韌性下降。兩種作用相反，表現為對沖擊強度基本沒有影響。

3 結論

(1)OH-MWCNT與PBT間具有良好界面相容性，能提高PBT的玻璃化轉變溫度和維卡軟化點溫度。

(2)OH-MWCNT的加入使復合材料復數黏度下降，剪切變稀特性減弱。

(3)OH-MWCNT的加入可以提高PBT的耐熱性能。

(4)OH-MWCNT對PBT具有增強作用，但對沖擊強度基本沒有影響。