碳纳米管改性乙烯基树脂的制备及性能探究

刘小艳，周茂昆，刘 岩

（河海大学力学与材料学院，南京，210098）

碳纳米管改性乙烯基树脂的制备及性能探究

刘小艳，周茂昆，刘 岩

（河海大学力学与材料学院，南京，210098）

本文通过超声分散的方法将碳纳米管（CNT）分散到乙烯基树脂中，研究了超声仪器、超声时间以及偶联剂种类对其分散效果的影响。试验发现，选取KH560作偶联剂，使用超声波破碎机超声2h，可以达最优分散效果。结果表明，CNT改性乙烯基树脂的力学性能随CNT的掺量增加而提高。

碳纳米管；乙烯基树脂；分散；力学性能

0 前言

钢筋锈蚀造成的混凝土构筑物破坏，严重影响甚至危及房屋建筑、工程建筑以及工业生产设备的安全性。解决混凝土中钢筋的锈蚀问题一直是混凝土材料与工程技术开发的重要任务。国外学者经过三十多年的研究，认为采用纤维塑料筋(FRP筋)是彻底解决钢筋锈蚀问题的一个行之有效的方法。纤维增强复合材料(FRP)自20世纪40年代问世以来，在航空航天、汽车、化工、医学和机械等领域得到了广泛的应用。

作为钢筋新型代替材料的FRP筋与普通钢筋或高强钢丝相比，总体上具备如下优点：抗拉强度高；抗腐蚀性能良好；密度小；FRP的热膨胀系数与混凝土相近，不会产生大的温度应力。FRP筋具有优异性能的同时也存在一定的缺点：弹性模量小；抗剪强度低；成本较高；热稳定性差。如能克服其中一个或几个缺点，将能有效的提高FRP筋的性能。本文拟将碳纳米管分散到乙烯基树脂中，以提高其弹性模量等力学性能，研究了超声仪器、超声时间以及偶联剂种类对碳纳米管分散效果的影响。

1 实验

硅烷偶联剂KH550、硅烷偶联剂KH560、钛酸酯偶联剂NDZ-311W，南京曙光化工有限公司；第三相有机溶剂苯乙烯、乙烯基树脂，金陵帝斯曼树脂有限公司；多壁碳纳米管（MWNT），中国科学院成都有机化学有限公司，物理性能见表1。

表1 MWNT的主要物理性能

本试验中考虑到树脂的粘度很大，不利于碳纳米管的分散，所以先将碳纳米管分散到第三相有机溶剂中，再将所得的分散液分散到树脂中。

2 试验结果与讨论

2.1 超声仪器对分散性的影响

实验室有超声波清洗机跟超声波破碎机两种超声仪器，由于其超声机理不同，所以超声效果将差别很大。由于超声波清洗机的功率固定为80w，而超声波破碎机的功率为0-1000w范围内可调，所以选取超声功率80w；超声时间定为1h。其余条件定为：CNT掺量为0.05%，第三相有机溶剂为苯乙烯，偶联剂选取

KH550，CNT：偶联剂=1:20。

图1 不同超声仪器的两种分散液的对比

图1 是静置15min后的两种分散液的对比，从图中可以看出超声波破碎机处理的分散液比较均匀，而超声波清洗机处理的分散液底部已经出现碳纳米管沉淀，这是由于超声波破碎机是从溶液内部工作，直接作用在碳纳米管上，更容易打散碳纳米管。综上，超声波破碎机的分散效果要优于超声波清洗机。

3.2 偶联剂的种类对分散性的影响

选择市售最常用的三种偶联剂做对比实验。由于CNT在苯乙烯中的分散效果很差，不利于分散效果的观察，根据相似相溶原理，此处选择乙醇替代苯乙烯作第三相有机溶剂。固定CNT的掺量为0.05%，超声时间为1h，超声功率为80w。通过静置，观察比较其沉降时间，得出最优偶联剂种类。

图2 静置30min后掺加不同偶联剂分散液的对比

图3 静置90min后掺加不同偶联剂分散液的对比

通过比较图2跟图3，偶联剂KH560的分散效果要优于其他两种。这是由于KH560中带有羟基官能团，而所使用的碳纳米管表面带有羧基官能团，两者之间会形成氢键。而KH550跟NDZ-311W与碳纳米管之间主要是由范德华力作用，由于氢键作用强于范德华力，所以KH560的分散效果要比其他两种好。

2.2 超声时间对分散性的影响

选取最优偶联剂种类和掺量，CNT掺量为0.05%，超声功率为80w，进行超声试验。每隔15min取样20ml做静置实验，共取8组试样。通过静置沉降时间情况确定最优超声时间。往后沉降时间趋于一致，此时对应的超声时间即为最优超声时间。

图4 不同超声时间下的分散效果

图4 为0.05%CNT掺量，KH560作偶联剂，每15min取样，静置2h。由图中可以看出，15min时分层很明显，随超声时间延长，分散效果越好，至105min和120min时几乎无区别。可以得出，超声时间越长，碳纳米管的分散效果越好，以2h为佳。

2.3 碳纳米管改性乙烯基树脂性能研究

2.3.1 碳纳米管改性乙烯基树脂的制备

首先制备CNT-苯乙烯分散液，选用超声波破碎机，功率80W，超声时间为2h，KH560作偶联剂；将得到的分散液与树脂混合，高速剪切搅拌均匀；放入真空机中抽真空，除去气泡，添加固化剂、阻聚剂、促进剂等，再注入模具，固化12h后取出；拆模，并按照德国标准切割成条状；在100℃下再固化3h，最终得到试样。相关仪器设备见图5。

图5 相关仪器设备

2.3.2 碳纳米管改性乙烯基树脂性能研究

主要测试了CNT树脂复合材料的力学性能，见表2。

表2 CNT树脂复合材料的力学性能

由表2可以看出，随着CNT掺量的增加，树脂的弹性模量总体呈增加趋势，当CNT的掺量为0.2%时，弹性模量提高了约10%，冲击强度降低了50%。由于测量精度和分散均匀程度不同，数据出现了些许波动。拉伸模量跟断裂延伸率总体随CNT掺量增加而递减，冲击强度随CNT掺量的增加呈现递减趋势。

3 结语

由上可知，以KH560作偶联剂，使用超声波破碎机超声2h，可以得到较好的分散效果。从制备的碳纳米管改性乙烯基树脂的性能测试中发现，碳纳米管可以提高树脂的弹性模量等力学性能，且随着碳纳米管掺量的增加，效果越好。

在今后的研究中，还可以引入不同的第三相溶剂作参考，还可以对偶联剂的掺法及掺量进行优化，还能对溶剂树脂的混合方式进行改进，等等，进一步提高CNT在树脂的分散效果，最终得到性能优良的CNT改性树脂，以应用于各行各业，实现树脂的多元化应用。

[1] 洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护[M].北京:中国铁道出版社,1998:1

[2] 柯伟.中国腐蚀调查报告[M].北京:化学工业出版社, 2003: 2-6.

[3] BAKISCE,BANKLC.Fiber-Reinforced Polymer composites for construction:state-of the-art review[J]. J Composite Construct ASCE,2002,6(2):73-87.

[4] 王力军,张本秋,刘亚凤.纤维混凝土技术及其应用[J].黑龙江水利科技, 2004,(4):74

[5] 张红州,刘锋,李丽娟等.纤维混凝土的研究与应用现状[J].新型建筑材料,2003,6:12

[6] Iijima S.Helicial microtubes of graphitic carbon[J]. Nature.1991,7(354):56-58.

[7] 于英俊,唐海花,马传国.制备工艺对CNT s/ EP 复合材料性能的影响[M].桂林电子科技大学学报,2009,4(2): 112-116.

[8] 朱利明,有关相似相溶规律的讨论[J].大学化学, 2003(01)

Study on Preparation and properties of carbon nanotube modified vinyl resin system

Liu Xiaoyan，Zhou Maokun，Liu Yan
(School of mechanics and materials,Hohai University，Nanjing，210098)

In this paper,ultrasonic dispersion method was used to disperse the carbon nanotubes(CNT)into the vinyl resin.The effects of ultrasound machines,ultrasonic time and sort of coupling agent on the dispersion were studied.It was found that selecting coupling agent KH560,and using ultrasonic crusher for 2h,the optimal dispersion effect reached.The results showed that the mechanical properties of CNT modified vinyl resin increased with the increase of the dosage of CNT.

carbon nanotubes;vinyl resin;dispersion; mechanical property