多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料制备及其性能研究

宗蒙

(榆林康耐雅新材料技术有限公司，陕西 榆林 718100)

自从S.Jima于1991年初步确定了碳纳米管CNT的结构，碳纳米管(CNT)已经激发了许多有趣的研究领域。碳纳米管CNTS具有优异的电、机械、热和磁学性能，低密度，高比表面积和高的化学稳定性。碳纳米管/聚合物复合材料，包括如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚酰胺和聚氨酯等基体已经被研究。聚酰亚胺是一类因为具有高的热稳定性良好的介电性能和耐化学稳定性，而被人们所熟知的聚合物。聚酰亚胺已经被应用在复合材料和微电子产业。碳纳米管/聚酰亚胺纳米复合材料是特别有趣的，李红丽等人[1]通过混合酸改性碳纳米管与聚（酰胺酸）改性的多壁碳纳米管（PAA）制备了碳纳米管/聚酰亚胺复合材料，这些聚酰亚胺化学接枝到碳纳米管表面的方法大部分已经报道。南京航空航天大学的张娴研究了单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)的表面接枝4, 4-(六氟异丙烯)二酞酸酐/1,3-二(3-aminephenoxy) -苯聚酰亚胺。在这项研究中，多壁碳纳米管被使用混合酸(硝酸/硫酸)和胺改性。 聚酰胺酸是通过4,4-二氨基二苯醚(ODA)与3,3，4,4-二苯酮四甲酸二酐(BTDA)反应来制备的。未改性的和改性的碳纳米管加入到聚酰胺，接着被加热到接近300 ℃，以形成多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料。聚酰亚胺是通过4,4-二氨基二苯醚(ODA)与3,3，4,4-二苯酮四甲酸二酐(BTDA)反应制备得来的，其表现出优异的热稳定性和良好的机械性能。

羧酸和胺基官能团的作用就是用来改性多壁碳纳米管。—COOH官能团成型在酸改性的多壁碳纳米管的表面上，—NH2官能成型在胺改性多壁碳纳米管表面。该COOH和NH2在多壁碳纳米管表面对聚酰亚胺有不同的作用。

多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的拉伸强度随着酸改性的多壁碳纳米管（MWCNT）的含量增加而增加。然而，未改性的多壁碳纳米管(MWCNT)/聚酰亚胺复合材料比已改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料具有更好的导电率。

1 实验部分

1.1 实验材料

多壁碳纳米管可以从中国深圳纳米港公司得到，碳纳米管CNT的直径是40～60 nm，长度为0.5～40 μm。ODA(己二酸异辛癸酯)和BTDA(二苯酮四羧酸二酐)可以从美国的堪萨斯州，特伦斯利伍德，克里斯健公司得到。乙二胺（EDA），可以通过Fairfield，OH，USA的兰开斯特公司供给。99%纯度的N，N-二环己基羰基-二酰亚胺(C13H22N2DCC)以，可以由美国的ACROS有机公司供给。

1.2 聚酰亚胺的前体合成

聚酰亚胺的前体(聚酰胺酸），是通过4,4-二氨基二苯醚（ODA）与3,3，4,4-二苯甲酮四酸二酐（BTDA）在室温下搅拌3 h反应制得的。 其中4,4二氨基二苯醚（ODA）与3,3，4,4-二苯甲酮四酸二酐BTDA的摩尔比为1:1。

1.3 酸改性的多壁碳纳米管

碳纳米管是通过硫酸与硝酸的重量比3:2，并且把硫酸加入到硝酸中的混合酸再加入到多壁碳纳米管中（其中混合酸与多壁碳纳米管的重量比是400:1），在50 ℃下搅拌24 h，从而得到的酸改性多壁碳纳米管。多壁碳纳米管酸处理之后，使用去离子水洗涤，过滤并在100 ℃下干燥。

1.4 酸改性的多壁碳纳米管的胺改性

碳纳米管经过酸处理后具有—COOH基团（在乙醇溶剂中），通过乙二胺EDA /二环己基碳（DCC）/四氢呋喃（重量比为20:20:1）溶液中处理，被进一步功能化。在室温搅拌48h反应，生成胺改性的多壁碳纳米管。

1.5 多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的制备

在被倒入塑料盘之前，未改性或改性的多壁碳纳米管分别被添加到的聚（酰胺酸）溶液中并且通过声波降解法分散。把该多壁碳纳米管/聚（聚酰胺基酸）溶液置于60 ℃烘箱中以除去溶剂，在被加热到300℃前形成多壁碳纳米管/聚酰亚胺薄膜。

1.6 傅立叶变换红外光谱

傅里叶变换红外光谱（FT-IR）碳纳米管的光谱范围被记录为400～4 000 cm-1，是采用美国Nicolet阿凡达320 FT-IR光谱仪，从美国Nicolet仪器公司，麦迪逊，威斯康星州，美国。将样品涂布在CaF2板上并且在真空烘箱中于120 ℃的烘烤中干燥，然后将其进行测试。400～4 000 cm-1的范围扫描。

1.7 扫描电子显微镜

多壁碳纳米管/聚酰亚胺COM-的表面形貌是使用扫描型电子显微镜观察的（SEM）（JEOL JSM 840A，日本）。

1.8 透射电子显微镜

透射电子显微镜（TEM），JEOL-2000FX（日本），被用来观察多壁碳纳米管/聚酰亚胺纳米复合材料的形态。复合材料膜厚度为100 nm 敷在200目铜网的透射电镜上观察。

1.9 拉伸性能

拉伸强度是使用英斯特朗电子拉力机Instron在室温下进行测试的，型号是4488。测试样本尺寸是50 mm×5 mm×0.1 mm左右，速度为2 mm /min。最少每个共同位置进行测试。要记录平均值和标准偏差。

1.10 电性能

表面和体积电阻率用ultra Mesohmeter SM-8220测量，（DKK TOA公司，日本东京）。 表面和体积的电阻率是使用一种40 mm×40 mm×0.1 mm的薄膜与碳胶连接。 测试是用电压为100 V，当前的电流，进行30 s，其中温度为25 ℃、相对湿度为50%。

1.11 玻璃化转变温度

玻璃化转变温度（Tg）的测定是使用示差扫描热量计（DSC）（TA仪器厂目DSC Q-10）。测试数据以10 ℃/ min的升温速度，由50 ℃升到350 ℃。 至少每种组合物要进行三个样品的测试。

2 实验结果与讨论

2.1 傅里叶变换红外光谱

图1(a)显示的是未改性的碳纳米管FTIR红外光谱，其特征波数为3 000～2 800 cm-1相当于—CH的伸展，特征波数为1 711 cm-1相当于C=O伸展。红外光谱FTIR的结果（—CH拉伸）表明多壁碳纳米管包含缺陷，这中缺陷可能在加工成型过程中形成的。图1(b)显示酸改性的碳纳米管的FTIR光谱：羧基官能团拉伸（COOH）出现在1 720 cm-1。 图表显示在波 数1 610～1 550 cm-1，1 075～1 010 cm-1，3 000～2 800 cm-1与3 650～3 000 cm-1是COO—非 对 称 拉伸的吸收峰，—CH伸缩振动峰和—COO拉伸振动峰[3～4]。图1(c)显示胺改性碳纳米管红外光谱：它的特征波数是3 530～3 400 cm-1相当于—NH拉伸吸收量。酰胺基的N—H弯曲度是1 633 cm-1和—COO拉伸度是1 655 cm-1。红外光谱表明，碳纳米管被酸和胺成功的改性了。

2.2 扫描电子显微镜

图2显示的是未改性的多壁碳纳米管[图2(a)]、酸改性的多壁碳纳米管[图2(b)]和胺改性的多壁碳纳米管[图2(c)]扫描电镜显微照片。所有的改性和未改性的多壁碳纳米管是卷曲并且混乱的。然而，酸改性和胺改性多壁碳纳米管的长度比未改性的多壁碳纳米管要短。

图1 多壁碳纳米管红外光谱

图2 多壁碳纳米管的缩影照片

图3显示多壁碳纳米管复合材料的扫描电镜显微照片。 图3(a)和(b)显示了纯净聚酰亚胺的横截面扫描电镜SEM显微照片。很多空穴显示分布在整个纳米规模的疏松材料上，或许是在300 ℃条件下通过酰亚胺化除去溶剂时形成的。图3(c)和(d)显示未改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料部分COMPOS-横截面的SEM显微照片。结果表明，未改性的多壁碳纳米管已经进行了聚合。酸改性的多壁碳纳米管和胺改性的多壁碳纳米管被有效地分散在聚酰亚胺基体内[5]。比较图3(e)和(f)和(g)和(h)显示了酸改性的多壁碳纳米管和胺改性的多壁碳纳米管的扫描电镜显微照片是相似的。

2.3 透射电子显微镜

图4显示出了纳米复合材料的TEM显微照片。图4(a)和(b)显示的是未改性的多壁碳纳米管-其含有直径在30～60 nm的颗粒在聚酰亚胺基体内。 所述纳米颗粒来自无定形碳的杂质，可通过酸处理除掉。据供应商所说，未改性的多壁碳纳米管大约包含近似3.2%的无定形碳。在我们以前的研究中，未改性的多壁碳纳米管用X射线XRD和电子差速锁EDS为特征，没有产生任何金属信号。 图4(b)中显示了大部分的纳米颗粒沉积在碳纳米管的表面上，其中的一些分散在整个聚合物基体内。

图4(c)-(f)显示没有任何纳米粒子在酸改性多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料基体内。这些粒子可能是在酸改性时被去除。图4(c)和(d)发现该酸改性的多壁碳纳米管是直的，其中一些聚集成束，并且分散在聚合物基体内。酸改性的多壁碳纳米管的直径为约20～30 nm，小于未改性的多壁碳纳米管（30～60 nm）。由于混合酸腐蚀了多壁碳纳米管，多壁碳纳米管的长度在酸改性后均减小。透射电子显微镜照片显示，未改性的和酸改性的多壁碳纳米管，是卷曲的并缠结多壁碳纳米管表明多壁碳纳米管在聚酰亚胺基体内是直的。300 ℃下的亚酰胺化反应可以改变未改性多壁碳纳米管的结构和酸改性的多壁碳纳米管结构。图 4(e)和(f)显示的是卷曲和缠结在聚合物机内的氨改性的多壁碳纳米管。该氨基改性的多壁碳纳米管的直径大约为20～30 nm，这比未改性多壁碳纳米管小，并且类似于酸改性的碳纳米管（20～30 nm）。

图3 （a，b）纯净的聚酰亚胺的SEM显微照片（a×50 000，b×10 000)；（c，d）是未改性的碳纳米管复合材料聚酰亚胺（c×50 000；d×10 000)；（e，f）是酸改性的碳纳米管复合材料聚酰亚胺(e×50 000;f×10 000)；（g，h）是胺改性的碳纳米管复合材料聚酰亚胺(g×50 000；h×10 000)

2.4 电性能

多壁碳纳米管具有高的纵横比和π-键。 电子设备将被转移到整个碳纳米管的π-键上。添加少量的碳纳米管可显著降低表面和体积电阻率。 图5(a)显示的是碳纳米管的含量对该复合材料表面的电阻率的影响。 纳米复合材料的表面电阻率从1.28×1015Ω/cm2（纯聚酰亚胺），下降到7.59×106Ω/cm2(6.98%(质量分数)未改性的MWCNT含量)，2.53×109Ω/cm2(6.98%质量分数酸改性多壁碳纳米管)和2.07×107Ω/cm2(6.98重量%的胺改性的多壁碳纳米管）。图5(b)显示碳纳米管含量对复合材料基体内的电阻率的影响，纳米复合材料体积电阻率从1.53×1017Ω/cm2（纯聚酰亚胺）下降到4.09×104Ω/cm2(6.98%质量分数未改性的多壁碳纳米管），2.66×107Ω/cm2(6.98%质量分数酸改性的碳纳米管)和1.73×107Ω/cm2（6.98%质量分数胺改性多壁碳纳米管）。

图4 (f)（a，b)未改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料(6.98%质量分数)的TEM显微照片(a×10 000，b×50 000）；（c，d）酸改性多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料(c×10 000，d×50 000)；（e，f）胺改性的多壁碳纳米管复合材料聚酰亚胺（e×50 000，f×100 000）

SEM和TEM显微照片表明，改性的多壁碳纳米管比未改性的多壁碳纳米管，在聚酰亚胺基体内分散更好。但是，酸处理降低了多壁碳纳米管的长度，并增加了多壁碳纳米管的缺陷，增加了电阻率[5～8]。胺改性多壁碳纳米管比酸改性的多壁碳纳米管更好的降低了聚酰亚胺的电阻率[9]。透射电镜显微照片表明，胺改性的多壁碳纳米管卷曲和纠缠在聚合物基体内。

胺改性的多壁碳纳米管比酸改性多壁碳纳米管分散更均匀。在聚合物基体中缠结的胺改性的多壁碳纳米管可为电荷反应提供通路。除此之外，酸改性的多壁碳纳米管是直的，并且有些聚集成束，且分散在该聚合物基质中。 酸改性的多壁碳纳米管电荷转移途径将被隔离，然而，酸改性的多壁碳纳米管在C=Õ的基团中形成氢键，胺改性的多壁碳纳米管可与聚酰胺酸反应生成复合体。半金属碳纳米管表面电性能，通过极性有机分子的吸附诱导电荷转移决定的[10]。 酸改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的电阻率通过电荷转移吸附聚酰亚胺分子引起而增加的，同时胺改性的多壁碳纳米管的氨基不直接键合到多壁碳纳米管上[11]。氨基基团将由脂肪族乙基链(—CH2CH2—)隔离开。胺改性的多壁碳纳米管与其它氨基分子之间的相互作用，将不会直接影响电性能。当胺改性的多壁碳纳米管附着在聚酰亚胺分子上时，电荷不能转移[12]。此外，用酸改性和胺改性多壁碳纳米管增强的复合材料，表现出不同的表面电阻率，其中4.76%(质量分数)的酸改性多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料表面电阻率为2.31×1013Ω/cm2，6.98%(质量分数)胺改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料表面电阻率为6.58×1010Ω/cm2；6.98%(质量分数)酸改性的碳纳米管/聚酰亚胺表面电阻率为2.07×107Ω/cm2；酸改性的和胺改性的多壁碳纳米管将会提供相同的基体体积电阻率。胺改性的多壁碳纳米管的氨基—NH2与聚酰胺酸反应形成复合物/聚酰亚胺。剩余的聚酰胺酸中的—COOH，可以吸收水分，从而降低的电阻率[13]。然而，因为4.76%和6.98%(质量分数)胺改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料表面电阻率均低于这些酸改性多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料，但其体积电阻都是相等的，水分子不容易扩散到聚酰亚胺中去。

图5 碳纳米管含量对多壁碳纳米管/聚酰亚胺纳米复和材料电性能影响

2.5 拉伸性能

多壁碳纳米管/聚合物复合材料的机械性能依赖于多壁碳纳米管与聚酰亚胺的吸引力。由于改性多壁碳纳米管比未改性多壁碳纳米管与聚酰亚胺有更大的吸引力，多壁碳纳米管的改性显著提高聚酰亚胺的拉伸性能。酸改性的多壁碳纳米管上的—COOH基团上的氢原子，可和PI分子的C=O键形成氢键。因此，酸改性多壁碳纳米管与聚酰亚胺基体的吸引力预计将超过的未改性的多壁碳纳米管。此外，该胺改性的多壁碳纳米管的氨基—NH2可与聚酰胺酸反应，形成复合物。它和聚合物基体比未改性的多壁碳纳米管有更大的吸引力。酸改性的多壁碳纳米管包含有比氢键更强的共价键[14]。该聚酰亚胺的机械强度，可以通过加入少量的胺改性的多壁碳纳米管方式而增强。 然而，胺改性多壁碳纳米管与聚酰胺酸的结合，以可降低其亚酰胺化反应。聚酰胺酸 PAA的机械强度小于PI且聚酰胺酸PAA比PI脆。加入更多的胺改性的多壁碳纳米管到聚酰胺基体内可能会影响聚合物的机械性能。

图6a表示的是多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合体(纯净的聚酰亚胺)的拉伸强度从102 MPa增加到121 MPa(6.98%，未改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合体)、134 MPa（6.98%的酸改性多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料）和124 MPa（0.99%胺改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料）。然而，当胺改性的多壁碳纳米管的含量增加，且胺改性多壁碳纳米管的含量为（6.98%），它的拉伸强度降低至110 MPa。

图(6)表示的是多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的杨氏模量从2.3 GPa(纯净的聚酰亚胺)增长到3.2 GPa (6.98%未改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料）、3.7 GPa(6.98%的酸改性多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料)和3.4 GPA（0.99%胺改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料）。当多壁碳纳米管的含量小于0.99%，胺改性的多壁碳纳米管提高的拉伸性能超过了酸改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料。然而，当碳纳米管含量超过2.44%时，酸改性的多壁碳纳米管提高的聚酰亚胺的拉伸性能高于胺改性的多壁碳纳米管。

图6 碳纳米管对多壁碳纳米管/聚酰亚胺纳米复合材料力学性能影响

多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的拉伸强度图6中(a)和杨氏模量图6(b)中的比较。当少量的胺改性的多壁碳纳米管加入到聚酰亚胺机溶液中时，并且碳纳米管含量低于2.44%时，其拉伸强度显著地增加。然而，当相同数量的未改性的或酸改性的多壁碳纳米管加入到聚酰亚胺机溶液中时，其拉伸强度只是略有增加。

当少量的酸改性的或胺改性的多壁碳纳米管加入到聚合物基体中时，它的杨氏模量显著增加，但是当加入相同量未改性的多壁碳纳米管时，其杨氏模量仅略有增加。当大量的(超过2.44%)胺改性的多壁碳纳米管加入溶液时，该复合材料抗拉强度下降。当大量(超过2.44%)的未改性或酸改性的多壁碳纳米管加入溶液时，该复合材料的拉伸强度增加很快。

即使超过4.76%(质量分数)的多壁碳纳米管加入到复合材料，它的抗拉强度也几乎保持不变。 甚至当2.44%的多壁碳纳米管加入到复合材料，其杨氏模量仍保持不变。然而，当多壁碳纳米管含量超过4.76%(质量分数)，加入胺改性的多壁碳纳米管比加入未改性的多壁碳纳米管，复合材料的拉伸强度提高的更快，但是杨氏模量正好与其相反。 该结果表明，当大量的胺改性的多壁碳纳米管为加入到聚酰亚胺机体中，该复合材料变的易脆。

2.6 玻璃化转变温度

聚合物的玻璃化转变温度（Tg）取决于聚合物的自由体积，它与填料和聚合物基体之间的亲和力有关。扫描电镜显微照片表明，未改性的多壁碳纳米管与聚酰亚胺基体有很小的吸引力，增加的自由体积超过了纯净的聚酰亚胺[15]。酸改性和胺改性多壁碳纳米管对聚合物基体的吸引力比未改性的多壁碳纳米管都要好。酸改性的多壁碳纳米管可与PI分子的C=O基团形成氢键。胺改性多壁碳纳米管可与聚酰胺酸反应以生成复合物。聚丙烯酸PAA内胺的共价键比氢键更牢固。胺改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的玻璃化转变温度Tg有望超过的酸改性的碳纳米管/聚酰亚胺复合材料。多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的Tg值通过插式扫描量热仪测量的，并归总到表1中。纯聚酰亚胺的Tg为281.12 ℃。当0.99%未改性多壁碳纳米管加入到基体中，Tg的略微下降。0.99%未改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺的Tg为278.57 ℃。 当未改性的多壁碳纳米管含量为6.98%，Tg低至276.53 ℃。未改性的多壁碳纳米管与聚酰亚胺的吸引力非常差;因此，当复合材料的自由体积增加时，Tg下降。

酸改性多壁碳纳米管和胺改性多壁碳纳米管使聚酰亚胺复合物的Tg增加了。0.99%酸改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺的Tg是285.24 ℃。当酸改性的多壁碳纳米管的含量为6.98%，Tg降低到284.09 ℃。0.99%胺改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺Tg为289.40℃。当胺改性的多壁碳纳米管含量为6.98%时，Tg降低至285.87 ℃，或许因为大量的胺改性的多壁碳纳米管降低了聚酰亚胺PAA的亚酰胺化。

3 结论

聚酰亚胺的前体就是聚酰胺酸的成功制备。透射电镜和扫描电镜显微照片显示，当未改性的多壁碳纳米管聚合时，酸和胺改性的多壁碳纳米管被均匀分散在聚酰亚胺基体内。在多壁碳纳米管含量较高时，将未改性的多壁碳纳米管与酸改性的多壁碳纳米管和胺改性多壁碳纳米管相比较，表明，胺改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺的电阻率比的酸改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺的电阻率要低。未改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺纳米复合材料比那些改性的多壁碳纳米管/聚酰亚胺纳米复合材料的表面和体积电阻率要低。多壁碳纳米管/聚酰亚胺纳米复合材料的伸长率可以通过改性多壁碳纳米管。当多壁碳纳米管的含量较低时，胺改性的多壁碳纳米管比酸改性的多壁碳纳米管更容易提高聚酰亚胺的伸长率。 但是，当MWCNT含量超过2.44%，这种关系正好是相反的。 当未改性的碳纳米管加入到该聚酰亚胺中时，多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的玻璃化转变温度会下降。当酸或胺改性的多壁碳纳米管用在酸改性的MWCNT（多壁碳纳米管含量低于2.44%）和胺改性的MWCNT（多壁碳纳米管含量低于0.99%时），玻璃化转变温度会增加。但当酸改性和胺改性的多壁碳纳米管含量增加时，Tg值下降。 添加胺改性多壁碳纳米管比添加酸改性的多壁碳纳米管复合材料，Tg值增加更明显。也许是因为胺改性的多壁碳纳米管的氨基（—NH2）可以与聚酰胺酸反应生成复合物。酸改性多壁碳纳米管的—COOH基团的氢根原子可与PI分子C=Õ基团反应形成氢键。 胺改性的多壁碳纳米管比酸改性多壁碳纳米管更易降低聚酰亚胺的分子运动。 然而，胺改性的多壁碳纳米管和聚酰胺酸之间的键可降低亚酰胺化反应和降低多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的机械性能。

表1 多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的玻璃化转变温度