碳纳米管和乙烯—马来酸酐共聚物改性玻璃纤维混杂增强聚酰胺复合材料

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玻璃纤维(Glass Fiber,简称GF)增强聚酰胺(Polyamide,简称PA)复合材料具有优异的力学性能和耐高温、耐腐蚀性等优点,使其成为汽车、电子电气和机械等领域应用广泛的高性能材料。在玻璃纤维增强聚合物复合材料中,由于应力集中效应,材料的微观破坏主要发生在纤维和树脂的界面结合区域,因此纤维与树脂基体之间的界面结合性是影响复合材料力学性能的重要因素。本文通过静电吸附的方法,在玻璃纤维表面包覆了碳纳米管(Multiwalled Carbon Nanotube,简称MWCNT)和乙烯-马来酸酐交替共聚物(Ethylene Maleic Anhydride Alternating Copolymer,简称EMA),构筑了玻璃纤维混杂增强体(GF-MWCNT,GF-EMA和GF-EMA-MWCNT)。利用玻璃纤维表面的MWCNT导电网络和EMA的界面改性作用,提高了混杂结构增强PA复合材料的导电和力学性能,得到了高性能、功能化的复合材料。本文中采用的静电吸附和熔融共混的方法过程简单,不需要特殊处理,适用于大规模生产,对于高性能的聚合物复合材料的开发和应用具有重要的意义。  1.通过静电吸附的方法制备了GF-MWCNT混杂增强体,研究其增强PA66/碳纳米管(Carbon Nanotube,简称CNT)复合材料的结构与性能。研究表明在PA66/CNT基体中引入GF时,由于GF的体积排斥效应,能够一定程度的提升PA66/CNT体系的导电性能,导电逾渗阀值从1.24wt%降低到了0.93wt%。GF-MWCNT混杂增强体中纤维表面的碳纳米管能够相互搭接成网络结构,在聚合物基体中除了起到体积排斥的作用外,还可以连接CNT形成的导电网络,因此在相同的CNT含量下GF-MWCNT增强的PA66/CNT复合材料具有最高的电导率,逾渗阀值进一步降低到了0.68wt%,提出了混杂结构的导电机理。SEM分析表明GF表面的MWCNT包覆层能够有效提高GF与PA66基体的界面结合性,从而使得此复合体系的力学性能得到改善,拉伸模量相比于GF增强体系提高了约10%。DMA分析显示GF-MWCNT增强体系的玻璃化转变温度从GF体系的59.3℃提高到了61.5℃。  2.利用静电力的作用将EMA交替共聚物吸附到玻璃纤维表面,制备得到了GF-EMA增强体,并经过挤出成型得到了PA6/GF-EMA复合材料。对EMA改性PA6体系的研究表明,在熔融状态下EMA分子中的酸酐基团能够与PA6分子链末端的氨基发生化学反应,提高了PA6的熔体粘度,由于PA6分子链的规整性被破坏从而降低了结晶度。GF-EMA增强体表面的EMA一方面通过静电力与纤维紧密结合,另一方面EMA的酸酐基团能与PA6的端氨基发生原位化学反应,从而使PA6基体产生交联的同时,能够作为连接GF与PA66的桥梁,起到了类似于偶联剂的作用,有效提高了玻璃纤维和PA6的界面粘结强度,改善了树脂与纤维之间的应力传递,从而显著提高了复合材料的力学性能,其中拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量相比于PA6/GF体系,分别提高了11.4%、21.5%和28.9%。DMA测试表明GF-EMA增强体使得复合材料的玻璃化转变温度从GF体系的61.3℃大幅度提高到了74.9℃。  3.将MWCNT和EMA两者结合,制备了GF-EMA-MWCNT混杂增强体结构,并用于增强PA6/CNT导电复合材料。通过调节包覆过程中EMA的浓度能够控制玻璃纤维表面包覆的EMA和MWCNT的相对含量。在包覆溶液中EMA浓度为1.5g/L,MWCNT浓度为2g/L时,制备的GF-EMA-MWCNT能够有效保留MWCNT对导电性能的改性效果,复合材料的电阻率与GF体系相比,下降了2个数量级左右,并且力学性能得到明显的提升,拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量分别提高了11.4%、11.8%和16.3%。
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