CN101432137A - 碳纳米管加强的纳米复合物 - Google Patents
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Abstract
MWNT(在本文中MWNT具有2个以上壁)和DWNT的组合可以明显提高聚合物纳米复合物的机械性质。少量DWNT加强物(＜1重量％)可以明显提高环氧基质纳米复合物的挠曲强度。相同或相似量的MWNT加强物可以明显提高环氧基质纳米复合物的挠曲模量(劲度)。与相同量的DWNT或MWNT加强的环氧纳米复合物相比，MWNT和DWNT加强的环氧纳米复合物的挠曲强度和挠曲模量得到进一步提高。在该环氧/DWNT/MWNT纳米复合物体系中，SWNT也可以替代DWNT起作用。除了环氧材料外，还可以使用其它热固性聚合物。
Description
该申请要求于2006年3月31日提交的美国临时申请第60/788,234号和2006年6月2日提交的美国临时申请第60/810,394号的优先权。
发明背景
自从Iiiima在1991年首先观察到碳纳米管(CNT)以来，碳纳米管已经成为研究的重点(S.Iijima，′Helical microtubules of graphitic carbon′，Nature 354，56(1991))。许多研究者已经报导了这种新形式碳的不寻常的物理和机械性质。单壁CNT(SWNT)的直径通常为0.5-1.5纳米，而双壁CNT(DWNT)的直径为1-3纳米，多壁CNT(MWNT)的直径为5-100纳米。碳纳米管独特的电子性质、优于金刚石的热传导性，以及劲度、强度和弹性优于目前任何材料的机械性质，使得CNT给基础新材料体系的开发提供了极大的机会。特别是CNT杰出的机械性质(E>1.0TPa，拉伸强度为50GPa)以及低密度(1-2.0克/厘米3)使得人们对于CNT加强复合材料的开发非常感兴趣(Eric W.Wong，Paul E.Sheehan，Charles M.Lieber，＂Nanobeam Mechanics：Elasticity，Strength，and Toughness ofNanorods and Nanotubes＂，Science 277，1971(1997))。CNT是目前地球上已知最强的材料。与MWNT相比，SWNT和DWNT是更有前景的用于复合物的加强材料，这是因为它们具有更高的表面积和纵横比。表1列出了SWNT、DWNT和MWNT的表面积和纵横比。
表1
| SWNT | DWNT | MWNT | |
| 表面积(米2/克) | 300-600 | 300-400 | 40-300 |
| 几何纵横比(长度/直径) | ～10,000 | ～5,000 | 100～1000 |
问题是SWNT和DWNT都比MWNT贵。纯化的SWNT和DWNT的价格都高达$500/g，而纯化的MWNT的价格为$1-10/g。因此，MWNT加强纳米复合材料的成本明显低于SWNT或DWNT加强的纳米复合物。
附图简要说明
图1说明了制造环氧/CNT纳米复合物的方法；
图2显示了环氧纳米复合物的挠曲强度；和
图3显示了环氧纳米复合物的挠曲模量。
发明详述
MWNT(在本申请中，MWNT具有两个以上壁)和DWNT的组合明显提高了聚合物纳米复合物的机械性质。少量DWNT加强物(<1重量％)可以明显提高环氧基质纳米复合物的挠曲强度。相同或相似量的MWNT加强物可以明显提高环氧基质纳米复合物的挠曲模量(劲度)。与相同量的DWNT或MWNT加强的环氧纳米复合物相比，MWNT和DWNT加强的环氧纳米复合物的挠曲强度和挠曲模量得到进一步提高。在该环氧/DWNT/MWNT纳米复合物体系中，SWNT也可以替代DWNT起作用。除了环氧材料外，还可以使用其它热固性聚合物。
在本发明的实施方式中，为了更好地说明本发明，给出该实施方式的具体实施例。
从日本阿瑞斯洼公司(Arisawa Inc.，Japan)获得环氧树脂(双酚A)。还从该公司获得硬化剂(双氰胺)，用于使环氧纳米复合物固化。从比利时的纳农塞公司(Nanocyl，Inc.，Belgium)获得DWNT和MWNT。这些CNT用氨基(-NH2)官能团官能化。氨基官能化的CNT有助于提高CNT和环氧分子链(epoxy molecularchairs)之间的结合，可以进一步提高纳米复合物的机械性质。但是，原始CNT或用其它方式官能化(例如羧酸官能团)的CNT同样也可以(例如，从日本阿克码公司(Arkema Co.，Japan)得到的球粒，产品名为RILSAN BMV-P20 PA11)。粘土由美国南方粘土产品公司(Southern Clay Products，U.S.)提供(产品名：
系列93A)。该产品是用叔铵盐改性的天然蒙脱石。弹性体是从美国卡瑞藤公司(Kraton Inc.，U.S.)购得苯乙烯/乙烯/丁烯/苯乙烯(SEBS)(产品名为G1657)。
图1显示了制备环氧/CNT纳米复合物的工艺流程示意图。所有组分在70℃的真空烘箱中干燥至少16小时，以完全除去水分。将CNT放入丙酮中(步骤101)，用微流仪(可从微流公司(Microfluidics Co.)购得)分散(步骤102)。微流仪(micro-fluidic)使用高压物流，这些物流以超高的速率在精确限定的微米尺寸通道中碰撞。对产品的剪切力和冲击力的共同作用产生均匀的分散。随后CNT/丙酮作为凝胶(103)形成，结果使CNT良好地分散在丙酮溶剂中。但是，也可以采用其它方法，例如超声法。还可以使用表面活性剂将CNT分散在溶液中。然后在步骤104中，将环氧树脂加入CNT/丙酮凝胶，产生环氧/CNT/丙酮溶液(105)，然后在70℃的浴中超声处理1小时(步骤106)，产生环氧/CNT/丙酮悬浮液(107)。在步骤108中，在70℃以1400转/分钟的速率搅拌混合处理半小时，将CNT进一步分散在环氧树脂中，产生环氧/CNT/丙酮凝胶(109)。然后在步骤110中，以4.5重量％的比率将硬化剂加入环氧/CNT/丙酮凝胶(109)中，在70℃搅拌1小时。在步骤112中，将所得凝胶(111)在70℃的真空烘箱中脱气至少48小时。然后将材料倒入特氟隆(Teflo)模中(步骤113)，在160℃固化2小时。在抛光处理之后，表征测试样的机械性质(挠曲强度和挠曲模量)(步骤115)。
表2显示了依据图1的制备环氧/CNT纳米复合物的工艺流程制备的环氧化物的机械性质(挠曲强度和挠曲模量)。如图2所示，在CNT负载相同的情况中，环氧/DWNT的挠曲强度高于环氧/MWNT的挠曲强度，而如图3所示，在CNT负载相同的情况中，环氧/DWNT的挠曲模量低于环氧/MWNT的挠曲模量。环氧/DWNT(0.5重量％)/MWNT(0.5重量％)的挠曲强度和挠曲模量都高于环氧/DWNT(1重量％)的挠曲强度和挠曲模量。
表2
| 环氧材料 | 挠曲强度(MPa) | 挠曲模量(GPa) |
| 纯环氧材料 | 116 | 3.18 |
| 环氧/MWNT(0.5重量％) | 130.4 | 3.69 |
| 环氧/DWNT(0.5重量％) | 138.9 | 3.26 |
| 环氧/DWNT(1重量％) | 143.6 | 3.43 |
| 环氧/DWNT(0.5重量％)/MWNT(0.5重量％) | 154.2 | 3.78 |
Claims (13)
1.一种制备复合材料的方法，该复合材料包含热固性材料和双壁碳纳米管(“CNT”)和多壁CNT，所述双壁碳纳米管和多壁碳纳米管的浓度是：能同时提高复合材料的挠曲强度和挠曲模量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双壁碳纳米管和多壁碳纳米管的浓度进行最优化，以同时提高复合材料的挠曲强度和挠曲模量。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述复合材料中双壁碳纳米管的含量为0.01-40重量％。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述复合材料中双壁碳纳米管的含量为0.01-20重量％。
5.一种复合材料，该复合材料中热固性材料的含量为60-99.98重量％，MWNT的含量为0.01-20重量％，DWNT的含量为0.01-20重量％。
6.如权利要求5所述的复合材料，其特征在于，所述热固性材料包括环氧材料。
7.如权利要求5所述的复合材料，其特征在于，MWNT和DWNT是纯化的或未纯化的、金属性的、半导电性的或绝缘的。
8.一种制备碳纳米管复合物的方法，包括根据碳纳米管直径的变化改变加入复合物中的碳纳米管的量，以制备具有特定性质组合的碳纳米管复合物。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述碳纳米管是双壁碳纳米管。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述碳纳米管是多壁碳纳米管。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，改变复合物中双壁碳纳米管与多壁碳纳米管的比例以实现特定的性质组合。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述复合物还包含热固性材料。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述复合物还包含环氧材料。
Applications Claiming Priority (5)
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|---|---|---|---|
| US78823406P | 2006-03-31 | 2006-03-31 | |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN102378479A (zh) * | 2010-08-25 | 2012-03-14 | 富葵精密组件(深圳)有限公司 | 电路板基板及其制作方法 |
| CN102509608A (zh) * | 2011-09-21 | 2012-06-20 | 东华大学 | 一种结构电容器的制备方法 |
| CN103108905A (zh) * | 2010-03-26 | 2013-05-15 | 夏威夷大学 | 纳米材料增强树脂及相关材料 |
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2007
- 2007-03-30 CN CNA2007800157237A patent/CN101432137A/zh active Pending
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