pmma含量对pmma_pan_cnt体系导电性能的影响_毕业设计(编辑修改稿)

pmma含量对pmma_pan_cnt体系导电性能的影响_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

现碳纳米管在复合材料中的均匀分散，而且聚合物一次聚合成型，不需热加工，避免了由此产生的降解。 但是碳纳米管化学修饰后形成的基团可能会影响聚合物的分子量：聚合的过程较为繁琐，对于工厂来说，成本较高，而对于实验室来说，产量难以提高。 溶液混合法： 溶液混合法是指将聚合物和碳纳米管均匀分散于一定的溶剂中，然后使溶剂挥发，从而得到复合材料的方法。 其优势在于它提供了一个低粘度的环境，有利于碳纳米管的分散，因此它在高分子基复合材料的制备和加工中应用较广。 Safadi中原工学院毕业设计论文 6 等将 MWNT加入聚苯乙烯 (PS)的甲苯溶液中，然后通过旋涂的方法制备 MWNT／ PS复合膜，实验结果表明，渗滤阈值小于 1％。 Kota等使用溶液法制备得到了 MWNT／ PS复合材料，发现在含有 2 wt％的 MWNT时，复合材料的导电率有了明显的提高。 赵金安将 MWNT加入到 DMF中，超声后加入 PS，继续超声处理，然后将混合溶液干燥，对得到的 MWNT／ PS复合材料的导电性能研究表明，复合材料的渗滤阈值低于 5 wt％。 Biercuk等将环氧树脂溶解于用超声波处理过的碳纳米管悬浮液中，然后将溶剂蒸发并使环氧树脂交联，得到碳纳米管分散良好的复合材料，得到的材料渗滤阈值在 wt％ 2 wt％ 之间。 Shaffer等应用水溶液体系，将碳纳米管分散于水中并与聚乙烯醇的水溶液混合，然后浇注可以得到 PVA薄膜，对其导电性测试的表明该材料的渗滤阈值在 5 wt％ 到 10 wt％ 之间。 李相美等研究发现，加入碳纳米管后， CNT／ PPA复合材料的导电率增加，而且随碳纳米管含量的增加，导电率也相应升高。 CNT／ PPA复合材料的渗滤阈值为 3vol％ ，达极限导 电率 (／ m)所需的碳纳米管的含量为 25vol％ ；而对 PPA进行磺化处理后制得的复合材料阈值为 2vo1％ ，达到极限导电率 (／ m)时所需的碳纳米管含量为25vol％。 溶液混合法需使用溶剂，特别是有机溶剂，溶剂的回收以及其本身将大大地提高生产成本，并且残留的溶剂也会影响材料的性能。 因此，并不是环境友好的方法。 而且，在溶剂增发的过程中，碳纳米管将会在溶剂挥发的过程中聚集，会影响后续成品中碳纳米管的分散。 碳纳米管 /聚合物体系导电机理 解释聚合物基导电复合材料导电性的理论较多，其中比较 重要的有三种，即渗流理论、导电通道学说和隧道效应学说。 渗流理论：从机理角度来看，填充型高分子导电复合材料之所以可以导电，是因为基体中导电填料之间的长程关联性提供了电子输运的网络。 这种长程关联并非在加入导电填料时立即出现，而是随着填料浓度或某种密度的增加而突然发生。 物理学家将这种无序系统中由相互关联程度变化所引起的效应定义为渗流效应，即在渗流阈值处 [8]，体系的某种性质发生突变。 如对于 碳纳米管 /聚合物导电中原工学院毕业设计论文 7 复合材料来说，当 碳纳米管 的含量达到某一临界值（即渗流阈值）时，即可实现复合材料由绝缘体向导电体的转化。 对于由 碳纳米管 与两种不同表面张力的聚合物所构成的不溶混共混体系，一种双渗流效应。 由于两种聚合物的表面张力不同，对 碳纳米管 粒子的吸附能力也不同使 碳纳米管 粒子在两种聚合物中呈现不均匀分布，通常 碳纳米管 粒子主要位于表面张力较低的聚合物相内和两种聚合物的界面处。 通过调节两种聚合物的比例，可使这种具有双渗流结构的复合材料在很低的 碳纳米管 含量下实现绝缘体向导电体的转变 [9]。 导电通道学 [10]说：当复合材料中 碳纳米管 含量较高时， 碳纳米管 粒子之间的距离很近， 碳纳米管 粒子被连接而形成导电通道或导电网络，此时电子可以在导电 通道中自由流动并且遵守欧姆定律，复合材料具有良好的导电性能。 隧道效应学说：隧道效应是由微观粒子波动性所确定的量子效应，又称势垒贯穿。 考虑粒子运动遇到一个高于粒子能量的势垒，按照经典力学，粒子是不可能越过势垒的，按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另一边，粒子具有一定的概率，粒子贯穿势垒。 理论计算表明，对于能量为几电子伏的电子，方势垒的能量也是几电子伏，当势垒宽度为 1 埃时，粒子的透射概率达零点几；而当势垒宽度为 10 埃时，粒子透射概率减小到 10−10，已微乎其微。 可见 隧道效应是一种微观世界的量子效应，对于宏观现象，实际上不可能发生。 隧道效应是理解许多自然现象的基础 [11,12]。 渗流理论主要是解释电阻率 — 填料浓度的关系，它不涉及导电本质，只是从宏观角度来解释复合物的导电现象 [13]，侧重说明复合导电高分子材料中导电通路怎样形成。 相比渗流理论，导电通道学说与隧道效应学说涉及导电本质，侧重说明导电通路形成后是怎样导电的，另外，二者存在很强的互补性。 因此有人提出导电通道与隧道效应两种导电机制在复合材料中同时起作用，只不过不同 碳纳米管 质量分数区域内，其中一种占主导地位。 除上 述三种主要导电机理外，还有电场发射理论 [14,15]，但研究较少。 有学者认为由于界面效应的存在，当电压增加到一定值后，导电粒子间产生的强电场引发了发射电场，使电子越过能垒产生电流，导致材料电阻呈电压 — 电流非欧姆特性。 有学者将其归为隧道效应的一种特殊情况。 中原工学院毕业设计论文 8 本课题研究 意义 目前 , 各国在实验上对碳纳米管的研究方兴未艾 ,并都取得了一定的成就 ,美国发明了纳米秤 ,日本制成了铂填充的碳纳米管 ,德国制备出直径为 1nm 的碳纳米管。 我国个别研究成果虽然走在了世界最前沿 ,如合成出世界最长的碳纳米管、高质量碳纳米管储氢的研究等 ,但在纳米科技领域的总体水平与美日欧相比 ,差距还很大。 目前 ,各国面临以下两个共同问题 [16],使得碳纳米管不能真正得到工业应用。 ①如何实现高质量碳纳米管的连续批量工业化生产。 碳纳米管制备现状大致是 :多壁碳纳米管能较大量生产 ,单壁碳纳米管多数处于实验室研制阶段 ,某些制备方法得到的碳纳米管生长机理还不明确 ,对碳纳米管的结构 (管径、管长、螺旋度、壁厚、管表面石墨碳的结晶度等 )还不能做到任意调节和控制 ,影响碳纳米 管的产量、质量及产率的因素太多 (如催化剂颗粒的大小、碳源的种类、温度、混合气体的种类及比例等 ) ,使制得的碳纳米管都存在杂质高、产率低等缺点 ,还没有高效的纯化碳纳米管的方法。 ②如何更深入研究碳纳米管实际应用问题。 例如 ,在常温常压下如何解析氢气及加快其储氢放氢速度。 如何提高碳纳米管吸附容量的稳定性和吸附压力的敏感性。 再如 ,怎样才 能制备出性能更为优异或能预期其性能的碳纳米管复合材料。 碳纳米管具有高的长径比，其结构类似纤维，因而它的渗流阈值低，微量的碳纳米管就可形成导电通路，所以将碳纳米管加入到聚合物中可大大提高 聚合物复合材料的导电性能 [17,18]。 聚合物／ MWNT 导电复合材料是将碳纳米管产业化的一个重要途径，具有重大的理论和实际意义。 首先是改善碳纳米管在聚合物基体中的分散状态，深入研究其在聚合物基体中的取向对复合材料性能的影响，目的都是为了在尽量低的电渗流阈值下，使复合材料的电性能和力学、光学性能得到最优结合。 化学修饰法能提高 CNTs在聚合物中的分散性 [19]，但导电性会不会由此造成损害尚属未知。 由于 CNTs 分散和与基体界面的结合问题始终没有得到彻底的解决，尚未有成熟的理论来解释 MWNT 和聚合物之间的相互作用 机理， 目前材料的一些性能还远达不到理想水平。 其次，导电填料在聚合物共混体系中的不均匀分布现象对复合材料电学性能和力学性能有重大影响，对碳黑以及碳纤维在聚合物共混体系中的选择性富集现象已有成熟的研究，但对碳纳米管填充聚合物共混体系中这种现象研究甚少。 [20] 中原工学院毕业设计论文 9 尽管目前其生产与应用还存在许多问题 ,但具有独特性能的碳纳米管作为一种最具市场潜力的新兴纳米技术已成为科技界关注的焦点 ,一旦其制备技术取得突破及其应用获得深入研究与市场开发 ,必将带动整个纳米技术的发展 ,同时也必将带动一系列相关高科技产业的兴起 ,引发一场新科技革命 ,那时肯定会在各个领域中产重大而深远的影响 , 给整个社会带来巨大的利益 [21]。 中原工学院毕业设计论文 10 2 实验部分 试验试剂及原料 聚丙烯腈（ PAN） :白色粉末状固体，溶于 DMF 聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA）：无色 ,可溶于 DMF 二甲基甲酰胺（ DMF）：无色易挥发性液体 碳纳米管（ CNT）：黑色粉末固体 试验仪器 DZX3 型（ 6020B）真空干燥箱 上海福玛实验设备有限公司 水热反应斧。