碳纳米管复合材料的制备pdf

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1、碳纳米管-聚合物复合材料的研究The Study of Carbon Nanotube-Polymer Composites摘 要：碳纳米管优异的力学性能使其成为优选的复合材料增强 体。本文综述了碳纳米管-聚合物复合材料的研究进展，简要介绍了 碳纳米管-聚合物复合材料的制备方法以及碳纳米管-聚合物复合材 料在力学、电学、热学等方面取得的进展。并详细讨论了碳纳米管与 聚合物的相互作用机理。最后展望了碳纳米管-聚合物复合材料的应用前景。关键词：碳纳米管；复合材料；制备Abstract: The excellent mechanical properties of carbon nanotubes

2、make it to be the preferred reinforcement of composite materials. The advances in research on carbon nanotube-polymer composites are reviewed. The preparation methods of carbon nanotube-polymer composites and the advances of studies on the mechanical, electrical, thermal properties are introduced. T

3、heinteraction mechanism of carbon nanotubes and polymers is discussed in detail. Finally, the application prospect of carbon nanotube-polymer composites is envisaged.Key words: carbon nanotubes; composites; preparation1991年，日本NEC公司的IijimaM用高分辨透射电镜分析电弧放电产生的阴 极沉积物时，发现了具有纳米尺寸的多层管状物，被称为碳纳米管(CNTs)。CNTs 是

4、一种新型的碳结构，可以形象地认为由碳六边形的石墨片按一定的螺旋度卷曲 成的无缝纳米级管状结构，它的长度为几微米，而它的直径从2nm到25nm不等。 根据组成的石墨片层数的不同，碳纳米管可分为单壁碳纳米管(SWNT )和多壁碳 纳米管(MWNT)。两种形态的碳纳米管都显示出卓越的机械性能和力学性质，碳 纳米管的弹性模量超过110TPA，与金刚石的弹性模量相等，约为钢的5倍，它 的理论拉伸强度为钢的 100倍，而它的密度只有钢的 1/6，其弹性应变约为 5%， 最高可达12%，约为钢的 60倍，同时它的理论拉伸强度为钢的 100倍。根据碳 纳米管螺旋性及直径的不同，碳纳米管可以表现出金属性和半导体

5、性。另外，碳 纳米管具有很高的热导率(60000W kn打。文献报道的碳纳米管-聚合物复合材料，依据主客体的不同可分为两类：第 一类是以聚合物为主体，碳纳米管作为填充材料，主要是针对导电聚合材料，目 的是为了改善导电聚合物的力学和导电等性质。导电聚合材料具有质轻、导电性 能好、耐腐蚀等优点，是一类有很大发展前途的导电材料。到目前为止，虽对导 电聚合材料研究已逾二十载，但其离大规模的应用还存在很大的差距主要存在机 械性能差、耐热性和导电性不理想等，不能满足现实的需求。通常采用改善其性 能的方法是填充炭黑、碳纤维、玻璃纤维和金属纤维等，其中以填充炭黑的导电 聚合物材料最为普遍，但其缺点是前后处理比

6、较繁杂、易团聚和机械性能差等， 这就为新型导电炭黑的研制开发提出了新的要求3。碳纳米管独特的力学和电学 性质可以弥补炭黑的不足，尤其是碳纳米管大规模生产的实现使其成为聚合物填 充材料的首选，为未来复合材料的发展和广泛应用开辟了更为广阔的空间。一系 列碳纳米管-聚合物的复合材料随之应运而生，与之相关的报道很多。另一类是以碳纳米管为主体，把聚合物修饰在碳纳米管壁上4,以增加碳纳米 管的溶解度，使碳纳米管的光电性质的应用和作为化学试剂在溶液中进行化学操 纵得以实现。虽然碳纳米管在可见到红外光范围内具有非线性光学性质，但是它 在很多溶液中的溶解度很低，且不能稳定存在，从而使其应用受到限制。众所周 知，

7、许多化学反应是在液相中进行的，如果能够改善碳纳米管的溶解度，使碳纳 米管可以参与液相化学反应，那么碳纳米管就能在色谱、电泳和生物化学等方面 得到广泛的应用。聚合物具有易合成，易溶于大多数溶剂等特点，因此，在碳纳 米管表面修饰一层聚合物不仅简单可行，而且可以增加碳纳米管的溶解度，进一 步扩大了碳纳米管的用途5。本文对两类碳纳米管-聚合物复合材料的制备、性 质进行综述，侧重讨论碳纳米管与聚合物相互作用机理，并展望两类复合材料的 应用前景。一碳纳米管-聚合物复合材料的制备方法目前，碳纳米管-聚合物复合材料的制备方法主要有 3 种：液相共混、固相 共融和原位复合方法，其中以共混法使用的较为普遍。随着研

8、究工作的进一步开 展，碳纳米管-聚合物复合材料的制备方法也将有新的进展。下面就这几种方法 进行简单的介绍。1.液相共混复合法(solution mixing)将超纯碳纳米管和聚合物放入甲苯(环己烷、乙醇、氯仿等)溶剂中超声振荡， 分散均匀后静置一段时间，采用喷涂、提拉等方法在不同的基体 (如 Au、Ag、 Cu或KBr、石英玻璃)上成膜，然后立即放在真空(10-7torr)干燥箱内干燥24h。 这种方法的优点是操作简单、方便快捷。当碳纳米管含量低(5%)时，碳纳米管 镶嵌在聚合物的矩阵中，分散基本均匀，形成碳纳米管 -聚合物复合膜，具有较 高的硬度和热、电稳定性。其缺点是碳纳米管在复合材料中很

9、难均匀分散，其取 向性无法控制。为了解决这个问题，往往要对碳纳米管进行前处理，如加入表面 活性剂，使碳纳米管表面带静电或表面形成一层亲水基团(如一0H)。Shaffer6噌报 道采用化学的方法对碳纳米管进行前处理,使碳纳米管表面带静电在溶液中均匀 分散后，再与聚乙烯醇混合，制备碳纳米管 P 聚乙烯醇复合膜，碳纳米管均匀分散 在聚乙烯醇的矩阵中，形成稳定的复合膜。最近新研制出了以离子液体为溶剂进行共混。离子液体(ionic liquids, ILs) 是由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的，在室温附近温度下呈液态的盐类。 离子液体作为“绿色”溶剂,与传统溶剂相比具有许多独特的性质：具有较高的 热

10、稳定性和化学稳定性；具有较宽的液态范围，从一96C到高达300400T； 离子电导率高,电化学窗口宽；对许多无机和有机物质表现出良好的溶解能力等。 离子液体在碳纳米管复合材料制备中,不仅作为溶剂和表面修饰剂克服了碳纳米 管易成束、难分散的缺点,其较高的稳定性!优异导电性!电化学稳定性以及良好 的生物相容性也赋予了复合材料新的电学及生物学等特性,大大扩展了碳纳米管 复合材料在生物化学、电化学方面的应用范围。Bellayer等以1, 2 -二甲基- 3 -十六烷基咪唑四氟磷酸盐为表面活性剂和 增溶剂,通过熔融挤出法制备出了分散均匀的碳纳米管-聚苯烯纳米复合材料。 研究结果表明,通过离子液体的阳离子

11、与碳纳米管表面的非共价键结合,在很大 程度上阻止了碳纳米管的团聚,并提高了碳纳米管与聚苯烯的亲和性。 Das 等在 一系列的咪唑类及季磷盐类离子液体中制备出了高弹性、高模量的橡胶 /碳纳米 管复合材料。在反应中,离子液体不仅作为表面活性剂克服了非离子表面活性剂 对复合材料性能改变的缺点,而且充当偶联剂在橡胶与碳纳米管之间参与反应。2.固相共融复合法(melt blending)熔融共混复合法是用机械搅拌的方法将碳纳米管均匀分散在聚合物熔体中 制备碳纳米管/聚合物复合材料,这主要是利用熔体的剪切力避免碳纳米管的聚 集从而不能再团聚,最终使碳纳米管能均匀分散在聚合物基体中。使用的共混设 备包括平板

12、研磨机、转矩混合仪、螺杆挤出机等设备，这类设备的共同点是可以 提供高温剪切加工。熔融共混复合法可以避免表面活性剂或溶剂污染复合材料， 复合膜一般没有破损，但适用范围有限，仅适用于聚合物不易分解且耐高温的条 件。与液相共混复合法相似，也存在着碳纳米管取向不确定和分散不均匀的缺点。 但总体说来，熔融共混复合方法相对操作简单，成本较低，非常适合于工业化流 水线生产，遗憾的是碳纳米管在聚合物中的分散往往并不能达到非常理想的水平 3.原位聚合法(in situ polymerization)原位聚合法是一种令人振奋的制备碳纳米管-聚合物复合材料的方法,在原位 聚合法中，碳纳米管首先被加入到低分子量及低黏

13、度的溶液中，然后通过机械混 合，使碳纳米管均匀分散在溶液中，最后利用引发剂打开碳纳米管的n键或其表 面的官能团使其参与聚合得到碳纳米管-聚合物复合材料。与溶液共混相似，采用原位法制备碳纳米管-聚合物复合材料时，碳纳米管 的表面修饰能改善碳纳米管在液体(如单体、溶剂)的分散，进而改善碳纳米管在 聚合物基体中的分散；而且原位聚合法可以通过缩聚反应使碳纳米管与聚合物之 间形成共价键，加强了碳纳米管与聚合物间的界面作用。利用原位聚合反应， Xu等首先将MWNT与纯苯乙烯单体在超声波下分散均匀，然后在60Coy射 线引发下合成了聚苯乙烯接枝的MWNT复合材料，得到的MWNT/PS能够溶于 四氢咲喃、甲苯

14、、氯仿等常规溶剂，拉曼光谱观察到聚苯乙烯与MWNT之间形 成了共价键，而碳纳米管的结构完整性并没有遭到破坏。Ma 等9用原位电化学聚合的方法制备了自掺杂的聚苯胺 (PANI) /ss-DNA /SWNT复合材料，发现ss-DNA /SWNT在自掺杂的PANI的聚合过程中扮演着 分子模板以及传导的聚阴离子掺杂剂的角色，从而加快PANI的聚合速度，增强 了复合材料的导电性及氧化还原活性。PANI /ss-DNA /SWNT复合材料可用于生 物传感器,ss-DNA包覆的SWNT可以增强自掺杂PANI的生物分子探测灵敏度， 金电极表面经一层 PANI /ss-DNA /SWNT 膜改性后，复合材料中的

15、 ss-DNA /SWNT 可以增加电极表面的有效面积，增加了可用于探测多巴胺的多硼酸官能 团的密度，因此极大增强了探测的灵敏性，浓度低至为 1nmol/L 的多巴胺都可以 被探测到。Kong等10用原位ATRP方法，在MWNT表面接枝PMMA, MWNT表面上 接枝的 PMMA 层的厚度可以通过单体 MMA 与 MWNT 的比值来控制，并且这 种方法可用于制备以碳纳米管为核、以两亲性的共聚物PMMA-b-聚羟基乙烷丙 烯酸甲酯(PHEMA)为壳的核壳结构的纳米复合材料，为开发与制备碳纳米管-聚 合物复合材料提供了一条崭新的途径。4.其他的方法(other methods)Haggenmuel

16、ler 等采用热聚沉的方法制备了 SWNT/PE 复合材料，首先将 SWNT悬浮在1, 2-二氯代苯中，超声波处理48h后，将温度升高到97C,随后 将溶解在1, 2 -二氯代苯中的热PE溶液加入到碳纳米管悬浮液中，继续用超声 波处理 5min 后将 SWNTPE 悬浮液冷却到 70e 左右使 PE 结晶，过滤干燥就可 以得到SWNTPE复合材料。Vigolo等采用一种聚沉纺丝的方法制备了高碳纳 米管含量的碳纳米管-聚合物薄膜，他们首先将SWNT分散在表面活性剂十二烷 基磺酸钠(SDS)的水溶液里，再缓慢注入聚乙烯醇(PVA)溶液中。由于PVA溶液 比SWNT的SDS分散液黏度大，流动过程中会

17、在注射头的尖端产生剪切，受层 流场作用的影响，当 SWNT 分散液被注出注射头时相互粘在一起，形成具有良 好定向排列的 CNTsPVA 复合纤维。静电纺丝是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场作用下形成喷射流进行纺 丝加工的工艺。它是制备超精细纤维的一种新型加工方法，制得的纤维比传统纺 丝方法细得多，直径一般在数十到上千纳米。2003年Ko课题组将该技术用于制 备碳纳米管/聚合物复合物纤维和纱线oSen等也用了类似的方法制备了碳纳米管陳氨酯(SWNTs /PU)复合物膜。二碳纳米管与聚合物的相互作用机理在复合材料中，碳纳米管和聚合物之间的相互作用机理至今还不十分清楚， 更没有一套成熟的理论来解释，

18、目前主要采用拉曼光谱技术研究碳纳米管和聚合 物之间的相互作用。法国学者 Stephan 研究小组对此问题作了较为系统的报道， 他们研究了一系列的碳纳米管和聚合物形成的复合物材料。用 1064nm 波长的光 激发，无论是碳纳米管还是复合材料均可以看到碳纳米管不对称的驼峰，看不到 聚合物的特征峰，可能是由于它们强度太低，驼峰的强度随碳纳米管的浓度增加 而增加，且随着激光的强度增大而增大，但是总是小于碳纳米管峰的强度。表明 这个驼峰是由于热辐射引起的，在激光辐射下，碳纳米管内积聚了大量的热能， 在复合材料中，聚合物吸收部分热能，峰的强度减小。由于在合成碳纳米管过程 中，无序的石墨结构和多孔碳同时产生

19、，在 1275cm-1 出现碳纳米管特征峰，可 能是由于无序石墨结构特征峰，也可能由于碳纳米管的缺陷或弯曲引起的。以碳 纳米管-PMMA为例，比较碳纳米管与复合材料的拉曼光谱变化，推测复合材料 中碳纳米管与聚合物之间的相互作用机理，见下表。表1碳纳米管与碳纳米管一PMMA复合材料的拉曼特征峰WavelengthSWNTSMWNTS-PMMAChange(cm-1)(cm-1)(cm-1)(cm-1)159，463，168，164，167，172，100一200blue shift：about5178，183179，18312701275blue shift：about5Reduction of

20、 W1/2：1500一16501553，1568，15731553，1568，15734，3，12000一40002250一37502250一3750Intensity reduced从表 1 可知，在碳纳米管光谱中，碳管团聚成束，特征峰红移至 1270 cm-1； 在碳纳米碳管浓度较低的复合材料拉曼谱中，又蓝移到1275 cm-i。他们认为在 低碳纳米管浓度时，聚合物可以直接插入到碳纳米管束中，施加于碳纳米管的压 力使振动频率增大，管束之间的距离增大，管束破坏，碳纳米管之间的作用力减 小，与聚合物相互作用增强，称为碳纳米管浓度稀释现象。用此理论也可以解释 低浓度的碳纳米管与聚合物复合时不会出

21、现团聚现象，可以制备均一的复合材料 的原因；在15001650 cm-i中，相对于碳纳米管的拉曼光谱，出现了较大的变 化，石墨型碳的E2 2振动峰大的驼峰，从2D转变为3D对称峰，1553、1568、 2g21573 cm-1随着碳纳米管的浓度增加，峰的位置没有明显的改变，但峰强度增强， 峰面积增大，仍低于碳纳米管相应峰的强度和峰面积，同样说明了碳纳米管和聚 合物之间存在相互作用。在低频(100200cm-1)范围内，CNTsPMMA复合材料 的拉曼谱中，对低频峰分解可以观察到在164、167、172、179、183cm-1碳纳米 管呼吸模式A1形式峰，而碳纳米管相应的峰出现在159、163、

22、168、178、183 cm-1， 1g向蓝移近5 cm-1，强度也相应减小，碳纳米管直径大的出现在低波数区，向蓝移 的也越多。可以推断在碳纳米管和聚合物复合时，对碳纳米管的直径具有一定的 选择性。以色列的 Dalton 等也报道了类似的现象，即聚合物能优先和直径在某 一特定范围内的碳纳米管相互作用。采用共混和共融方法制备的碳纳米管-聚合物复合材料中，多壁碳纳米管与 聚合物相互作用的机理与上述类似。对于化学原位聚合方法制备的复合材料，一 般认为，碳纳米管的大n键参与并干扰聚合反应，碳纳米管具有封端作用，阻止 聚合物碳链的增长。因此，在化学原位聚合时，碳纳米管加入时间不可太早，否 则会影响聚合物

23、的性质。但是在电化学原位复合时，没有发现类似的现象，碳纳 米管在复合材料中含量可以高于7%以上。SEM测试表明，碳纳米管包裹在聚苯 胺内，分散均匀，且无团聚现象。其原因可能是因为苯胺电聚合的速度较快，扩 散到电极表面的速度较慢，吸附在电极表面上的碳纳米管来不及参与聚合反应就 被包裹在聚苯胺内，减少了对聚合物碳链增长的影响。由此可得到稳定的碳纳米 管-聚合物复合材料。三碳纳米管-聚合物复合材料的性质及应用碳纳米管在传导增强材料，能源储存，传感器，场发射显示器和场发射源， 储氢，纳米级半导体器件，探针等方面具有很大的应用潜力，而碳纳米管 -聚合 物复合材料有望具备聚合物的加工性能与碳纳米管的力学及

24、其它的功能特性。均 匀分散和有序排列的碳纳米管将会进一步扩展碳纳米管聚合物复合材料的应用 范围。1. 碳纳米管-聚合物复合材料的力学性质碳纳米管的长径比大、密度低以及力学性能优异使它在增强材料方面具有很 大的吸引力，碳纳 米管增强聚 合物基体 的潜力是巨大 的。 Dalton 等制得 SWNT/PVA 复合材料纤维的拉伸强度是蜘蛛丝的 2 倍，所需的断裂能达到蜘蛛 丝的5 倍以上11。一般地，碳纳米管-聚合物复合材料的弹性模量和强度随碳纳米管含量的增 加而增加，但是，在当碳纳米管的含量较低时，碳纳米管 -聚合物复合材料的力 学性能实验值要低于理论预测值。Haggenmueller等发现填充5%

25、的SWNT后，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤 维的弹性模量从0.65GPa增加到1.25GPa,而理论预测碳纳米管为5%含量下， 复合材料的弹性模量大概为16GPa。理论预测与实验结果产生误差的原因在于碳 纳米管在聚合物中的分散状况以及碳纳米管与聚合物之间的应力传递跟理想情 况存在一定的差距。MWNT各层之间的滑移以及SWNT相互之间的滑移会限制碳纳米管与聚合 物基体之间的应力传递，所以碳纳米管-聚合物复合材料界面之间的负荷转移低 于理想情况。Barber等虫发现从聚乙烯丁烯基体中抽出一根MWNT所需要克服 的平均界面应力是47MPa,是从基体中抽出一根碳纤维所需要克服的平均界面 应力的 1

26、0 倍。这说明了填料的粒径对界面的强度十分重要。在分子水平上了解 两相界面的附着力对优化碳纳米管 -聚合物的界面情况具有十分重要的作用。 Liao 等利用分子力学模拟和弹性计算的方法发现碳纳米管与聚合物之间的附着 力来源于：1. 相互之间的静电作用和范德华力；2. 碳纳米管和聚合物由于热膨胀系数不同所引起的应力、应变。碳纳米管的化学修饰能够提高聚合物和碳纳米管界面之间的应力传递 13, Geng 等将含量 1%氟化的 SWNT 添加到聚氧乙烯基体中发现复合材料的弹性模 量增加了 145%左右，屈服强度增加了 300%。Blake等将丁基锂修饰的MWNT 与氯化聚丙烯复合制备了 CPP MWNT

27、复合材料，使MWNT与CPP之间形成 共价键。他们报道称当MWNT的含量增加到0.6% （体积分数）时，相比较氯化聚 丙烯而言，复合材料的弹性模量从0.22GPa增加到0。68GPa。拉伸强度从13MPa 增到49MPa，并且它的韧性增加了 4倍（从27J /g增到108J /g）。这个结果说明了 官能团化的碳纳米管不仅可以改善碳纳米管的分散而且可以改善复合材料之间 的应力传递。Gao等将含量1%羧酸化的SWNT和己内酰胺进行原位开环聚合后 制得了 SWNT-尼龙6复合材料发现复合纤维的弹性模量增加了 153%,而拉伸强 度增加了 103%，这说明了碳纳米管-聚合物界面之间形成的共价键能有效地

28、增强 材料的强度。而SWNT改用酰胺酸改性后，SWNT与尼龙6之间形成共价键可 以改善复合材料的延展性和韧性。2. 碳纳米管-聚合物复合材料的电学性质碳纳米管作为一种新型的唯一的一维纳米碳系物质，在尺寸、比表面积等方 面的独特结构赋予它远远优于碳黑、碳纤维的电学性质。将碳纳米管添加到聚合 物基体中可以使复合材料的导电率增加几个数量级，降低电阻，同时可以保持复 合材料的力学性能和透明性能。碳纳米管-聚合物复合材料作为到电导材料可以 用在很多领域14,比如静电消除、静电涂覆、电磁干涉(EMI)屏蔽、循环印刷线 路等。Yang等观察了碳纳米管-聚苯乙烯泡沫复合材料的EMI屏蔽性能，发现随着 碳纳米管

29、含量的增加，复合材料的EMI屏蔽效率越高，当碳纳米管的含量为7% 时,在8.212.4GHz的频率范围内，复合材料的EMI屏蔽效率可达到18。19.3dB。 复合材料的 EMI 屏蔽效率的提高主要是由于碳纳米管在绝缘的聚合物基体中形 成了连通的碳纳米管传导网络，随着碳纳米管含量的增加，泡沫复合材料中连通 的碳纳米管数量增加，从而使复合材料的EMI屏蔽效果增加。为了提高碳纳米管的比容，Zhou等将均匀分散质量分数为8%的单壁碳纳米 管的单体苯胺进行化学聚合制备SWNT/PANI复合物，将复合物、乙炔黑和聚四 氟乙烯(PTFE)按质量比80： 15： 5配料压制成片状电极，在1mol/LNaN03

30、电解液 中，用循环伏安、恒流充放电和交流阻抗测试研究其电容性能，结果表明复合物 有着比PANI更高的比电容和功率特性，比电容可达190.6F/g。他们认为单壁碳 纳米管是好的电子接受体，而苯胺是好的电子给予体，复合物中的SWNT与PANI 形成电荷转移结合体而紧紧作用在一起，提高了 PANI的电导率。碳纳米管-聚合物的电导率渗透阀值在 0.005%到百分之几这一浓度范围内， 有序排列的MWNT-聚合物的渗透阀值甚至低至0.002%。碳纳米管-聚合物的渗 透阀值受以下几个因素的影响：碳纳米管的长径比、碳纳米管的分散、碳纳米管 的排列。Bryning等用高压CO裂解法(HiPco)和激光蒸发法制备

31、了长径比分别为 150和380的碳纳米管，发现长径比为380的碳纳米管制备的碳纳米管-聚合物的渗透阀值要比长径比为 150的碳纳米管制备的复合材料的渗透阀值要低。分散良 好的碳纳米管比团聚的碳纳米管的长径比要高，所以前者就比后者的渗透阀值要 低。但也有报道指出，轻微团聚的碳纳米管由于碳纳米管之间局部之间的相互作 用增加，它的渗透阀值有所降低。碳纳米管在聚合物中的排列对复合材料的渗透 阀值具有很大的影响15，当碳纳米管在复合材料中排列有序时，碳纳米管之间 的相互作用不大，使得复合材料的渗透阀值升高，导电率降低。须注意的是，碳 纳米管经化学修饰化后，破坏了碳纳米管的共价n键，因此，它会降低碳纳米管

32、 的电导率。3. 碳纳米管-聚合物复合材料的热学性质和阻燃性质具有良好热导率的纳米级复合材料在印刷电路板，热界面材料以及其它高性 能热管理系统中具有很大的应用潜力。与碳纳米管-聚合物复合材料的电导率增 加几个数量级不同，碳纳米管-聚合物的热导率仅仅只有中等程度的增加。碳纳 米管-聚合物的热导率与电导率一样受碳纳米管长径比、分散状况以及碳纳米管 排列的影响，而且它对碳纳米管的纯度非常敏感。Biercuk等发现在环氧树脂 中增加1%的未经纯化的 SWNT 后，在室温下复合材料的热导率增加了 125%。 Choi 等44观察到当 SWNT 的质量含量增至 3%时，复合材料的热导率增加了 300%。H

33、uang等将排列规整的MWNT植入到硅橡胶基体中，使MWNT贯穿整 个复合薄膜，这样，MWNT的末端裸露在复合膜的两端。而MWNT裸露的两端 使得MWNT与外界热源接触良好，有利于热量的传递，结果表明，复合材料的 热导率有了很大程度的提高。同样值得注意的是，碳纳米管-聚合物复合材料的热导率的改善仍旧低于理 论预测值。Huxtable认为这是由于碳纳米管和聚合物界面之间的热传导系数非常 低(G12mW/m2K),即高界面热阻是实验值与理论预测出现偏差的主要原因。 若碳纳米管和聚合物之间形成共价键则可以降低材料的界面热阻。热失重分析表明：碳纳米管-聚合物复合材料的起始分解温度以及它的最大 失重速率

34、温度要高于纯聚合物Ml。Ge等发现含5% MWNT的MWNT-聚丙烯腈 (PAN)复合纤维的起始分解温度要比纯PAN的起始分解温度高24C。碳纳米管- 聚合物复合材料热稳定性的提高与碳纳米管在聚合物基体中的分散有关。 Lai 等 研究了聚(b-羟基丁酸酯、b-羟基戊酸酯)(PHBV)-MWNT纳米复合材料的热稳定 性得出这种纳米复合材料的DTG曲线的峰值温度比纯PHBV高16C,在PHBV 分解过程中，基体中分散较好的 MWNT 对燃气的渗透和传导起到阻碍作用，从 而提高了热稳定性。这种阻碍分解产物的传输,使其向气相转化的过程大大减缓 的作用18。 Shaffe 在研究碳纳米管-聚氨酯复合材料

35、的热稳定性时指出，碳纳米 管-聚氨酯复合材料的热分解温度的提高很可能是在 PVOH 分解过程中，自由基 在活性炭表面上引发的吸附作用造成的。王彪等在研究聚丙烯MWNT复合材料 的热稳定性能时认为由于碳纳米管比表面积大，聚丙烯分子与碳纳米管均为非极 性物质，它们表面之间存在较强的物理吸附作用是碳纳米管 -聚丙烯复合材料热 稳定性提高的主要原因。 MWNT 对于热分解自由基的吸附作用及对分解产物传 输的阻滞作用非常显著。碳纳米管-聚合物复合材料热稳定的改善表明碳纳米管可以作为聚合物的阻 燃剂Ml。Kashihaji等比较了 SWNT、MWNT、碳纳米纤维、炭黑对PMMA的阻 燃效果，认为SWNT的

36、阻燃效率能最高，其次是MWNT,这是由于材料燃烧时， 碳纳米管可以在材料表面形成一层保护性的 free-standing CNTs 结构，它可以起 到热屏蔽作用，从而阻止材料的分解燃烧。碳纳米管分散得越均匀，碳纳米管含 量越高、长径比越大，复合材料的阻燃效果越好。四结论与展望碳纳米管因其优异的物化性能和独特的光电性能成为纳米复合材料的理想 填料。由碳纳米管和聚合物组成的两元纳米复合材料，可以将碳纳米管优良的力 学和光电性能和聚合物的可加工等性能结合起来，是近几年发展起来的碳纳米管 的一个重要应用研究方向，具有广泛的应用前景。但要真正实现碳纳米管 -复合 材料的工业化生产，还需在以下几方面进行突

37、破：碳纳米管和聚合物两相之间相 容性的研究；两相之间界面作用的表征和研究；提高碳纳米管的分散和在聚合物 中的取向的方法研究；碳纳米管的加入对聚合物结构性能的影响。相信通过碳纳 米管聚合物纳米复合材料的基础和应用研究，可以获得各种性能优异的纳米复合 材料，从而可以推动纳米电子学、功能材料、生物医药、航空航天等学科的发展。参考文献1. Iijima S.Helicalmicrotubules of graphitic carbon J. Nature,1991, 354: 56 -58.2. 肖军华，曹有名等。碳纳米管-聚合物复合材料研究进展。塑料：2007，363. 杜仕国，李良春。玻璃钢复合材

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