对位芳纶纳米纤维共价修饰多壁碳纳米管及其对聚合物复合材料的增强性能

As an ultra-strong material, multiwalled carbon nanotubes (MWNTs) have been considered as an ideal enhancer for polymer composites materials. The shortcomings of difficult dispersion and easy agglomeration influence the reinforcing effect of MWNTs in the polymer matrix. As a high performance polymer material, para aramid (PPTA) not only has excellent mechanical properties and thermal stability, but also forms high-strength aramid nanofibers (ANF) having similar morphology to carbon nanotubes in DMSO where alkali exits. Therefore, ANF is considered as the most promising candidate polymer materials in the modification of MWNTs. This project aims to explore a series of more facile and simple covalent modifications to prepare kinds of new super nanocomposite materials with varied structures and “strong-strong synergistic effect” via chemical bonded ANF to the surface of MWNTs, which can combine the features of both of ANF and MWNTs. These materials are mainly used to improve the dispersion of MWNTs in polymer composites, and the load transfer efficiency decrease caused by the interface slippage between ANF and MWNTs of ANF noncovalent-functionalized MWNTs. The reinforcement of the above mentioned materials for the polymers with varied structures will be investigated. And the relationship between the structures nanocomposite materials and the performances are also studied through the comparison of the reinforcement mechanisms for polymers.

作为一种超强材料，多壁碳纳米管（MWNTs）被看作是理想的聚合物复合材料的增强剂，但其难分散、易团聚的缺点限制了其在聚合物复合材料中的广泛应用。作为高性能聚合物材料，对位芳纶（PPTA）不仅具有优异的力学性能和热稳定性，而且还能在DMSO/碱的作用下，形成具有类似于碳纳米管形态的超强芳纶纳米纤维（ANF），因此ANF被看作是用于MWNTs改性的最具前景的候选聚合物材料。本项目旨在结合上述两种超强纳米材料的特点，探索一系列更温和、更简便易行的共价修饰方法，将ANF键合到MWNTs的表面，制备出具有不同结构的，能起到“强-强协同作用”的超强纳米复合型新材料，以改善MWNTs在聚合物复合材料中的分散问题，以及ANF非共价修饰MWNTs复合材料中存在的界面滑移导致的载荷转移效率下降问题；考察该系列材料对具有不同结构的聚合物材料的增强性能，并通过比较其增强机理，探究其结构与性能的关系。

本项目结合碳纳米管（MWNTs）和芳纶纳米纤维（ANF）两种超强纳米材料的特点，采用温和、简便易行的共价修饰思路，开展了具有“强-强协同作用”的超强纳米复合型新材料的制备及性能的相关工作。首先以寡聚PPTA分子链为悬臂制备了ANF与MWNTs界面具有一定缓冲作用的新型纳米复合材料（PPTA-MWNTs）。发现添加PPTA-MWNTs的PVC膜的杨氏模量（E）、拉伸强度（Tb）和断裂应变（Eb）最大值比纯的PVC的相应值分别提高了44.4%、79.4%、和203.6%。其次，采用“一锅法”接枝长链PPTA，其阴离子在MWNTs表面通过自组装得到PPTA-MWNTs复合材料，进一步简化了制备工艺流程，同时减少了由于多步骤合成、精制和纯化过程带来的产品损失及结构的不确定性。采用溶胀法探究了复合材料对不同型号对位芳纶（529R型、K129型、K49型）的增强作用及增强机理。发现对K49型纤维的效果最为突出，其E、Tb和Eb均为增长趋势。探究了非极性烷基改性芳纶纳米纤维的制备，发现不同的取代度和烷基链长可以得到形态各异的烷基改性芳纶纳米材料，包括纳米纤维、纳米片、纳米球和枝状纳米材料。将其分别用于增强聚氯乙烯和聚苯乙烯，非极性烷基改性芳纶纳米纤维明显提高了聚合物的杨氏模量、韧性和屈服率。上述工作为聚合物增强材料的制备和应用提供理论指导。本系列研究取得了丰硕的创新性与突破性研究成果，在国内外权威学术期刊发表论文18篇，其中被SCI收录17篇；获得国家发明专利授权6项。期间，项目组成员参加了国内学术会议1次，培养了8位硕士生，完成了项目计划书中的各项任务，达到了预期目标。