羥基多壁碳納米管改性PBT性能研究

黃富林 ，李均立，黃曉梅

(佛山顧地塑膠有限公司，廣東 佛山 528522)

碳納米管具有完善的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，已在聚合物改性領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。由于碳納米管和聚合物相容性較差，常在碳納米管表面上接上功能基團(tuán)[1]以其改善分散和增加相容性。賈志杰[2]等人采用硝酸對碳納米管進(jìn)行了處理，在碳管表面引入羧基,然后通過原位聚合法制備了碳納米管尼龍復(fù)合材料；李中原等[3]在多壁碳納米管表面接枝上胺基，然后用原位聚合法制備了尼龍6/多壁碳納米管復(fù)合材料，均取得較好的改性效果。

聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)為五大通用工程塑料之一，具有優(yōu)秀的力學(xué)性能、電性能、耐熱性能和加工性能，被廣泛應(yīng)用于電子電器、汽車工業(yè)和機(jī)機(jī)械零件等領(lǐng)域。但PBT也存在諸如機(jī)械性能并不突出、熱變形溫度低等不足，限制了其應(yīng)用，因此需要PBT進(jìn)行改性[3]。

在制備聚合物復(fù)合材料方法中，熔融共混法相對容易實(shí)現(xiàn)，具有工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)勢。本文利用熔融共混法制備了PBT/羥基多壁碳納米管復(fù)合材料，研究了其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、流變性能、力學(xué)性能和耐熱性能，取得了較好的改性效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，牌號為XY1120，江蘇揚(yáng)州天行健化工有限公司；羥基化多壁碳納米管 (OH-MWCNT)，內(nèi) 徑5-10nm，外徑10-30nm，長度10～30μm，羥基含量>2.48wt%，江蘇碳豐科技有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)雙螺桿擠出造粒機(jī)組，SJ-20，江蘇南京杰亞擠出裝備有限公司；動態(tài)熱機(jī)械分析儀，DMA1，梅特勒-托利多公司；旋轉(zhuǎn)流變儀，ARES-G2，美國TA儀器有限公司；維卡熱變形溫度測定儀，XRW300，承德聚緣檢測儀器設(shè)備廠；懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，JJ20，承德金建儀器設(shè)備有限公司；微機(jī)控制萬能材料試驗(yàn)機(jī)，CMT6001，深圳新三思材料檢測公司。

1.3 試樣制備

PBT使用前先進(jìn)行干燥(100℃真空干燥2h)。將配比好OH-MWCNT和干燥后的PBT投入到高速混煉機(jī)中混合3 min。然后將混合好的物料在雙螺桿擠出機(jī)組中造粒，擠出機(jī)溫度控制在230 ℃左右。粒料干燥后，在注塑機(jī)中控制相同注塑溫度范圍內(nèi)注射成型成標(biāo)準(zhǔn)試樣供測試。

1.4 性能測試

動態(tài)熱機(jī)械性能分析：單懸臂梁，振動頻率 1 Hz，掃描溫度范圍為室溫～125℃，升溫速度為3℃/min；動態(tài)流變性能采用平板式旋轉(zhuǎn)流變儀測定，小幅振蕩，平板直徑為25 mm，平板間距為1 mm，溫度設(shè)為250℃，角頻率范圍為0.1～600 rad/s；維卡軟化溫度按GB/T1663-2000測試(B120法)；拉伸強(qiáng)度按 GB/T1040.1-2008在室溫下進(jìn)行測試；缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T1843-2008在室溫下進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 動態(tài)熱機(jī)械性能

圖1 不同OH-MWCNT含量PBT/OH-MWCNT復(fù)合材料的tanδ隨著溫度變化曲線

圖1是PBT及不同用量PBT/OH-MWCNT復(fù)合材料的損耗角正切(tanδ)隨著溫度變化曲線。從圖中可以看出，與純PBT相比，PBT/OH-MWCNT的tanδ的振幅值降低，tanδ峰向高溫方向移動；純PBT曲線峰為55.6 ℃，OH-MWCNT含量1 %時為峰值溫度增加到57.6 ℃，含量2%時增加到58.1 ℃。表明OH-MWCNT與PBT基體間具有良好界面相容性、產(chǎn)生了較強(qiáng)的界面粘結(jié)作用，限制了PBT鏈段的運(yùn)動，提高了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[4]。其原因可能是PBT在OH-MWCN表面進(jìn)行異相成核而結(jié)晶，從而形成較強(qiáng)成核-結(jié)晶作用力[5]，有效增強(qiáng)了OH-MWCNT與PBT基體之間的界面粘接。

2.2 動態(tài)流變性能

圖2 不同OH-MWCNT含量PBT /OH-MWCNT復(fù)合材料的復(fù)數(shù)黏度隨角頻率變化曲線

圖2 為PBT及不同用量OH-MWCNT的 PBT/OH-MWCNT復(fù)合材料的復(fù)數(shù)黏度(η*)隨角頻率(ω)的變化曲線。從圖中可以看出，OH-MWCNT的加入使復(fù)合材料復(fù)數(shù)黏度降低，高頻下的剪切變稀的特性減弱。其原因可能是OH-MWCNT上的羥基導(dǎo)致了PBT的降解，降低了PBT的分子量，從而降低了熔體黏度和呈現(xiàn)出剪切變稀特性減弱。

2.3 耐熱性能

圖3 OH-MWCNT含量對PBT/OH-MWCNT復(fù)合材料維卡軟化溫度的影響

圖3為羥基多壁碳納米管含量對PBT/OH-MWCNT復(fù)合材料維卡軟化溫度的影響。從圖中可以看出，，復(fù)合材料的維卡軟化溫度隨著羥基多壁碳納米管含量的增加不斷增加：純PBT為181.7℃，在OH-MWCNT含量為2%時復(fù)合材料的維卡軟化溫度達(dá)190.5℃，提高了8.8℃，OH-MWCNT表現(xiàn)出極佳的增強(qiáng)耐熱功能。其原因可能OH-MWCNT與PBT的界面具有較強(qiáng)粘結(jié)作用，限制了PB鏈段的熱運(yùn)動，提高了材料的耐熱性能。

2.4 力學(xué)性能

圖4 OH-MWCNT含量對PBT/OH-MWCNT復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的影響

圖4為OH-MWCNT用量對PBT/OH-MWCNT復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度的影響。從圖4中可以看出，隨OH-MWCNT含量的增加，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度不斷增加。OH-MWCNT含量為2 %時，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度增加了17.1 %，表現(xiàn)出較好的增強(qiáng)效果。增強(qiáng)的原因可能是因?yàn)镺H-MWCNT本身具有較大的剛性且與PBT基本存在較強(qiáng)的界面粘合，有利于承擔(dān)更大的載荷。從圖4中還可看到，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，OH-MWCNT含量對復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度影響不大。這是因?yàn)镺H-MWCNT與PBT基體存在較好的相容性，可以傳遞一定的載荷，表現(xiàn)出一定的增韌作用。但另一方面， OH-MWCNT的羥基可能導(dǎo)致了PBT的降解，使分子量降低，韌性下降。兩種作用相反，表現(xiàn)為對沖擊強(qiáng)度基本沒有影響。

3 結(jié)論

(1)OH-MWCNT與PBT間具有良好界面相容性，能提高PBT的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和維卡軟化點(diǎn)溫度。

(2)OH-MWCNT的加入使復(fù)合材料復(fù)數(shù)黏度下降，剪切變稀特性減弱。

(3)OH-MWCNT的加入可以提高PBT的耐熱性能。

(4)OH-MWCNT對PBT具有增強(qiáng)作用，但對沖擊強(qiáng)度基本沒有影響。