溶液法和熔融法制备聚苯乙烯/碳纳米管复合材料及其性能研究

王一科

（武汉纺织大学，湖北武汉430200）

绪论

碳纳米管自从1991年被发现以来，以其特有的准一维管状分子结构，迅速成为化学、物理及材料科学领域的研究热点[1]。

1 实验部分

1.1 主要实验材料

碳纳米管（CNTs）,中国科学院成都有机化学有限公司；聚苯乙烯（PS）,上海赛科石油化工有限责任公司生产。

1.2 溶液法制备复合材料

分别称取一定量的碳纳米管和聚苯乙烯置于6个烧杯中，对应碳纳米管的质量分数0%、2%、4%、6%、8%、10%。依次加入溶剂四氢呋喃，搅拌后封膜，超声波处理4 h；超声完后将混合液涂覆成膜，然后置于真空烘箱下干燥，取出得到溶液法聚苯乙烯/碳纳米管复合材料。

2 结果与讨论

2.1 熔体流动速率

表征熔融指数无需将材料复合，只需均匀混合分散。实验过程中负荷砝码2.160 kg，温度设定为220℃，每60 s转刀一次。

2.2 接触角

数据显示测试所得接触角皆小于90°，所有材料都表现出弱亲水性。碳纳米管含量升高，其亲水性越来越弱，可见碳纳米管纳米级分散之后，材料的表面特性得以改变。

2.3 电子扫描电镜

SEM图显示纯PS断面呈层片状分布,属典型的脆性断裂范畴,表明PS中有大量的应力集中点和结构缺陷。PS/2%CNTs复合材料断面有明显改变,白亮点的CNTs被PS包裹在其中,少量CNTs因材料断裂裸露在外而呈白线状,说明该材料中大部分CNTs与基体PS有结合较好的界面,只有少量CNTs与基体连接不好。CNTs为4%，6%时材料断面形貌中基本没有白亮点,而以“白线”居多,此时CNTs在PS中能较好分散。

表1 熔体流动速率测试

表2 溶液法和熔融法PS/CNTs复合材料接触角

图1 溶液法和熔融法PS/CNTs复合材料断面扫描电镜

表3 熔融法PS/CNTs复合材料冲击强度与电导率

2.4 冲击强度与电导率

结果表明碳纳米管能改善PS力学性能，碳纳米管的含量在4%时,其冲击强度达到最大值。电导率数据说明纯PS基体是绝缘体；2%CNTs复合材料的电导率增加到6.45×10-11S/cm；当CNTs的含量达6%之后，电导率增加了2个数量级。

3 结论

实验显示，碳纳米管的加入会使复合材料流变性能变差，润湿性能变差。碳纳米管可以明显改善PS基体的力学性能和电学性能，CNTs含量为4%-6%时，复合材料表现出十分优良的综合性能；当CNTs含量增加至6%以上时，碳纳米管会在复合材料中出现团聚，材料的性能反而受到影响。