碳納米管的分散及力學(xué)性能

碳納米管的分散及力學(xué)性能碳納米管雖然具有諸多優(yōu)異性能，并能顯著增加材料的各項(xiàng)性能，但本身作為高分子材料，分子量較小，管徑很小，比外表積大，外表能大，格外簡(jiǎn)潔團(tuán)聚在一起，這樣則會(huì)產(chǎn)生反效果〔如？D1所示〕，尤其是對(duì)碳納米管的復(fù)合材料而言，這些團(tuán)聚起來(lái)的碳納米管管徑小以難分散開(kāi)，同時(shí)材料中也會(huì)消滅應(yīng)力集中點(diǎn)，會(huì)減弱材料性能，因此在使用碳納米管增加材料的性能及應(yīng)用在其他方面都必需要將碳納米管完全分散以到達(dá)最正確的使用效果。碳納米管分散碳納米管的分散主要使用物理或者化學(xué)方法。團(tuán)聚體的分散方法主要包括機(jī)械攪拌、添加外表活性劑、超聲波處理等，所以對(duì)碳納米管的分散方法也主要由這些方法進(jìn)展而來(lái)，物理方法主要有碾磨、球磨、超聲波等；化學(xué)方法主要有添加外表活性劑、強(qiáng)酸強(qiáng)堿洗滌等；還可承受原位合成法制備碳納米管復(fù)合材料。強(qiáng)酸洗滌碳納米管外表存在一些缺陷，而通過(guò)使用強(qiáng)酸強(qiáng)堿的強(qiáng)氧化性可將其溶斷，再將它們分散[1]。強(qiáng)酸洗滌可以把團(tuán)聚體外表的碳納米管溶斷分散，但無(wú)法進(jìn)入團(tuán)聚體內(nèi)部，因此溶液中也就會(huì)存在微小的碳納米管團(tuán)聚，需要額外的工序?qū)⑵淙コ?。聚合物溶劑于作龍[2]等公開(kāi)了一種分散碳納米管的方法，即先把碳納米管加到具有肯定粘度的聚合物溶體中，然后通過(guò)研磨裝置把碳納米管均勻分散在聚合物中，同時(shí)碳納米管也會(huì)在摩擦力和聚合物內(nèi)部的剪力等作用下被截?cái)?，最終去除聚合物即可。但使用這種方法無(wú)法解決團(tuán)聚問(wèn)題，所以效果并不是很好。超聲波分散超聲波處理的作用可分為兩方面：一是由于多壁碳納米管的管壁上存在著小洞樣子的缺陷，運(yùn)用超聲波處理可以使得碳納米管從缺陷處被震斷縮短從而進(jìn)展分散。不過(guò)可以預(yù)見(jiàn)的是在震斷的同時(shí)也會(huì)將碳納米管團(tuán)聚物震的更加緊實(shí)，反而更加難以分散。二是在溶液中的產(chǎn)生了大量微小氣泡，通過(guò)這些氣泡“炸開(kāi)”產(chǎn)生的具有較大能量的沖擊波使得四周依靠范德華力結(jié)合在一起的碳納米管被震開(kāi)，這樣也就到達(dá)了分散的目的。原位生長(zhǎng)合成法原位生長(zhǎng)合成法是通過(guò)碳納米管制備工藝，以化學(xué)氣相沉積法為主，在基體材料外表原位生長(zhǎng)出碳納米管，甚至是定向排列的碳納米管[3]。使用此方法可以在制備碳納米管的同時(shí)就分散，這樣就避開(kāi)了碳納米管的團(tuán)聚。但是該方法工藝繁雜限制條件很多而且不簡(jiǎn)潔掌握，并且制備出的復(fù)合材料致密度較低，反而無(wú)法凸顯出碳納米管的優(yōu)越性能。外表修飾法目前常用的修飾法分共價(jià)修飾法與外表活性劑〔SAA非共價(jià)修飾法兩種。共價(jià)化學(xué)修飾法就是把碳管外表氧化或引進(jìn)有機(jī)官能團(tuán)從而修飾碳納米管外表[4]，主要分為強(qiáng)氧化劑處理法、酯化修飾法、烷基化修飾法等。這種方法可使碳納米管外表或被縮短的碳納米管末端的翻開(kāi)，使其末端含有肯定數(shù)量的活性基團(tuán)如羥基等。這樣不僅增加了碳納米管的親水性使其易溶于水等溶液中，而且為與其它物質(zhì)或基團(tuán)反響供給了根底，進(jìn)而可與親水基體材料產(chǎn)生較好復(fù)合均勻度和黏結(jié)界面強(qiáng)度。而外表活性劑非共價(jià)修飾法在有效分散碳納米管的同時(shí)不會(huì)對(duì)碳納米管的性能產(chǎn)生負(fù)面影響[5]。外表活性劑分為離子型與非離子型兩種。不管哪種外表活性劑都會(huì)吸附包裹在碳納米管外表，而不會(huì)破壞碳納米管的構(gòu)造，離子型外表活性劑吸附在碳納米管外表，主要依靠親水基團(tuán)之間的靜電斥力阻擋碳納米管之間的聚攏，非離子型外表活性劑|碳納米管分散體系也是基于吸附機(jī)理，而其頭基和尾基雜亂、隨機(jī)地吸附在的管壁上保持體系穩(wěn)定。應(yīng)用狀況目前，碳納米管的分散方法包括機(jī)械攪拌法、超聲處理法、電場(chǎng)誘導(dǎo)法、外表修飾法〔共價(jià)修飾、非共價(jià)修飾〕等，但單一方法都存在無(wú)法去除團(tuán)聚的缺陷，所以在實(shí)際運(yùn)用中多留意以上幾種方法的綜合使用。力學(xué)性能碳納米管基材料有多種應(yīng)用方式，主要應(yīng)用于塑料，電氣原件，以及金屬基中可以顯著提升它們自身的性能，為當(dāng)下要求越來(lái)越高的設(shè)備供給優(yōu)秀的原件以便使用。下面以水泥基為例，研究參加MWCNT后它各項(xiàng)力學(xué)性能的變化?？箟簭?qiáng)度韓瑜在他2023-2023年中所做的試驗(yàn)中，在掌握水灰比為0.35的狀況下，隨著碳納米管用量的增加，比較了水泥抗壓強(qiáng)度的不同。試驗(yàn)測(cè)試了六組試件〔N0-N5,NO為空白比照組〕，MWCNT的用量分別為0.00、0.05、0.08、0.10、0.12、0.15〔wt%〕，GA0.00、0.30、0.48、0.60、0.72、0.90〔%，TBP0.13%，在這樣的狀況下，抗壓強(qiáng)度分別為77.4、82.9、83.1、84.5、80.8、73.0〔MPa〕，N1-N5N0得抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)分別為7.1、7.4、9.2、4.4、-5.7〔%〕。有上述數(shù)據(jù)可以看出，參加MWCNT后水凈泥漿的抗壓強(qiáng)度得到顯著增加，在MWCNT0.1wt%時(shí)，水泥的抗壓強(qiáng)度到達(dá)最高為84.5MPa,與空白試件相比提升了9.2%，然后隨著MWCNT用量的增加，試件抗壓強(qiáng)度反而下降甚至低于空白試件，這種現(xiàn)象應(yīng)是碳納米管用量過(guò)多導(dǎo)致團(tuán)聚造成的。2.2抗折強(qiáng)度在測(cè)試抗折強(qiáng)度時(shí)，仍舊掌握水灰比為0.35，測(cè)試了六組試件〔N0-N5〕,MWCNTsGATBP的用量與測(cè)試抗壓強(qiáng)度全都。在這狀況下，測(cè)得其抗折強(qiáng)度分別為11.0、11.7、15.8、15.0、13.1、10.5〔MPa,N1-N5N0比照抗折強(qiáng)度的增幅分別為6.4、43.6、36.4、19.1、-4.5〔%〕。[6] 抗折強(qiáng)度變化趨勢(shì)和抗壓強(qiáng)度類似，不過(guò)提升更為明顯，當(dāng)MWCNT用量為0.08wt%時(shí)，試件N2的抗折強(qiáng)度最高為15.8，與空白試件相比提升了43.6%。參數(shù)變化的影響除根本的力學(xué)性能外，摻量準(zhǔn)時(shí)間等參數(shù)對(duì)于水泥基碳納米管的力學(xué)性能也有著較大的影響。摻量變化當(dāng)隨著MWCNT參加后，試件的力學(xué)強(qiáng)度提升顯著。砂漿的抗壓強(qiáng)度隨著碳納米管的摻量增加而增加，當(dāng)摻量為 0.1wt%時(shí)，抗壓強(qiáng)度到達(dá)峰值89.4MPAa較空白試件提升21.6%，之后隨著碳納米管的摻量增加而降低?？拐蹚?qiáng)度的變化狀況與其類似，當(dāng)MWCNT摻量為0.8wt%時(shí)，試件的抗折強(qiáng)度到達(dá)峰值，較空白試件提升38.5%，但隨后降低趨勢(shì)較抗壓強(qiáng)度更平緩。時(shí)間變化試驗(yàn)測(cè)試碳納米管摻量不同對(duì)于水泥砂漿的力學(xué)強(qiáng)度隨齡期變化的結(jié)果如圖2所示。由試驗(yàn)結(jié)果可得抗折強(qiáng)度的大小隨齡期增長(zhǎng)而增大。當(dāng)齡期7H3強(qiáng)度最大，其他試件且均高于空白試件。在7天28H2H356天齡期時(shí)，抗折強(qiáng)度僅略高于28天時(shí)的測(cè)量值。其它試件普遍在28天到56天齡期時(shí)增長(zhǎng)較快。試驗(yàn)測(cè)試碳納米管摻量不同對(duì)于水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度隨齡期變化的結(jié)果如圖3所示。由試驗(yàn)結(jié)果可得，抗壓強(qiáng)度的大小也隨齡期增長(zhǎng)而增大。在齡期為7H1、H2與空白試件相差不大。且28H1、H2其他均有較明顯的增長(zhǎng)。在齡期在2856天之間，除了H5H6其他試件均沒(méi)有明顯增長(zhǎng)。由上圖可知，隨著MWC