多壁碳納米管表面改性對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響研究*

陳亞楠 石 超 張仲鳳

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，國(guó)家林業(yè)和草原局綠色家具工程技術(shù)研究中心，湖南省綠色家居工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410000；2.東陽(yáng)市家具研究院，金華 322100；3.中國(guó)林業(yè)生態(tài)發(fā)展促進(jìn)會(huì)，北京 100013）

多壁碳納米管(Multi-walled Carbon Nanotubes, MWCNTs)具有比重輕、熱膨脹系數(shù)小、長(zhǎng)徑比超高（可達(dá)100～1 000）的特點(diǎn)，室溫下單根碳納米管（CNT）的電阻率在10-6～10-4Ω·cm數(shù)量級(jí)，是一種理想的一維碳系導(dǎo)電填料[1-2]。自Ajayan等[3-4]首次報(bào)道CNT/聚合物基復(fù)合材料以來(lái)，這一領(lǐng)域已成為世界科學(xué)研究的熱點(diǎn)。目前，CNT/聚合物基復(fù)合材料的制備方法一般有熔融混合法、原位聚合法、溶液混合法和溶膠-凝膠法等。

將MWCNTs摻入聚合物基質(zhì)中以提高復(fù)合材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的大量研究成果表明，影響CNT /聚合物復(fù)合材料導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的因素是CNT含量[5]、形狀[6-7]、取向[8]、表面改性[9-12]、雜化復(fù)合[13]，以及CNT在基質(zhì)中的分散性[14-15]。學(xué)界廣泛認(rèn)同CNT在基質(zhì)中的分散狀態(tài)是其中最為關(guān)鍵的因素。一般來(lái)說(shuō)，CNT含量越多，縱橫比越大，分散狀態(tài)越好，復(fù)合材料的電熱性能提升幅度也就越大。而CNT的表面改性是提高CNT分散狀態(tài)、增強(qiáng)其與其他物質(zhì)之間界面結(jié)合力的最有效方法之一。因此，對(duì)MWCNTs進(jìn)行必要的表面改性，提高其在木塑復(fù)合材料（WPC）基質(zhì)中的分散程度，改善與WPC基體的界面相容性，是實(shí)現(xiàn)MWCNTs在木塑復(fù)合材料中低量高效填充效果的必由之路。

CNT的表面改性包括共價(jià)鍵修飾和非共價(jià)鍵修飾兩種。共價(jià)鍵修飾有酸化及其衍生反應(yīng)、環(huán)化加成反應(yīng)、陰離子聚合反應(yīng)、原子自由基聚合（ATRP）反應(yīng)4種，這類(lèi)方法直接與CNT的石墨晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，通常改變了功能化點(diǎn)處的 SP2結(jié)構(gòu)，部分破壞了CNT的電子特性[16]。非共價(jià)修飾即對(duì)CNT進(jìn)行物理吸附和包裹，此法可以保持CNT的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不受破壞。主要機(jī)理包括CNT和吸收劑間的分子間相互作用、疏水相互作用、超分子包覆作用等。常用的有機(jī)物表面改性劑包括偶聯(lián)劑、表面活性劑、有機(jī)硅、不飽和有機(jī)酸及有機(jī)低聚物、水溶性高分子等。其中，偶聯(lián)劑的作用機(jī)理屬于共價(jià)修飾，表面活性劑則屬于非共價(jià)修飾。

為探究?jī)煞N改性方式對(duì)MWCNTs在WPC中分散性及成型后對(duì)復(fù)合材料電、熱、力學(xué)性能的影響，本研究首先以超聲時(shí)間為變量對(duì)碳納米管進(jìn)行表面處理，根據(jù)72 h沉降容積比確定分散性能最佳的超聲處理時(shí)間。然后選用陰離子型表面改性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、非離子型表面改性劑聚乙二醇（PEG2000）和兩親性聚合物聚乙烯吡咯烷酮（PVP）以及硅烷偶聯(lián)劑A-171（乙烯基三甲氧基硅烷）結(jié)合超聲振蕩對(duì)MWCNTs進(jìn)行表面預(yù)處理，經(jīng)真空抽濾、鼓風(fēng)干燥后與高密度聚乙烯（HDPE）、楊木木粉（WF）熔融共混、模壓成型，制備木粉/高密度聚乙烯（WF/HDPE）復(fù)合材料。同時(shí)結(jié)合FTIR、XRD、SEM等表征技術(shù)，觀察并判斷MWCNTs的改性效果及其在WF/HDPE復(fù)合體系中的分散狀態(tài)，最后對(duì)制得的復(fù)合材料樣品進(jìn)行電、熱、力學(xué)性能的相關(guān)測(cè)試，將所得數(shù)據(jù)作為改性效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 材料與方法

1.1 材料

高密度聚乙烯（HDPE），牌號(hào)DGDK-3364 NT，美國(guó)陶氏化學(xué)有限公司，熔體流動(dòng)速率0.75 g/10 min（試驗(yàn)條件190 ℃，2.16 kg）；楊木木粉(Populussimonii Carr.)，80～100 目，河北靈壽辰源加工廠；馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯（MAH-g-PE），牌號(hào)105TY，美國(guó)陶氏化學(xué)有限公司；乙烯基三甲氧基硅烷(A-171)，南京辰工有機(jī)硅材料有限公司；十二烷基苯磺酸鈉(SDBS），分析純，天津華東試劑廠；聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，化學(xué)純，北京Blodee生物技術(shù)有限公司；聚乙二醇(PEG)，化學(xué)純，西隴化工股份有限公司；多壁碳納米管（MWCNTs），蘇州恒球納米科技有限公司；溴化鉀，光譜級(jí)，上海阿拉丁試劑有限公司；液體石蠟，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙醇(分析純)、乙酸（分析純），北京化工廠。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

多頭磁力攪拌器，HJ-4A，江蘇科析儀器有限公司；循環(huán)水多用真空泵，SHB-3A，鄭州杜甫儀器廠；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DGX-9143B-2，上海?，攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，SCIENTZ-IID，寧波新芝生物科技股份有限公司；HAAKE旋轉(zhuǎn)流變儀，MARS，Thermo Scientific科技（中國(guó)）有限公司；多功能粉碎機(jī)，800Y，永康市鉑歐五金制品有限公司；平板硫化機(jī)，YT-LH100F，東莞市儀通檢測(cè)設(shè)備科技有限公司；微機(jī)控制人造板萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，MMW-50（最大實(shí)驗(yàn)力50 kN），濟(jì)南耐而試驗(yàn)機(jī)有限公司；冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，8010，日本Hitachi;激光導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x，LFA 467 HT，德國(guó)Netzsch；傅立葉變換紅外光譜儀，Nexus670，美國(guó)Nicolet；差示掃描量熱儀，DSC-60，日本Shimadzu。

1.3 試樣制備

1.3.1 木粉表面處理

木粉過(guò)篩后置于85 ℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥24 h至絕干，封存于密閉干燥容器中待用。

用滴管吸取4 wt%（基于木粉質(zhì)量）的硅烷偶聯(lián)劑A-171于小燒杯中待用。按硅烷偶聯(lián)劑∶95%乙醇= 1∶5的質(zhì)量比取用適量乙醇，首先用冰醋酸將乙醇溶液的pH值調(diào)整至3～5，隨后向其中滴加硅烷偶聯(lián)劑，并放入磁子，置于磁力攪拌臺(tái)上攪拌均勻，使其在常溫下緩慢水解20 min，得到硅烷醇水溶液。

將水解好的硅烷醇水溶液裝入真空噴瓶中，均勻噴灑在木粉表面并攪拌均勻，將混合后的木粉置于 85 ℃下干燥8 h備用，得到的硅烷偶聯(lián)劑官能化木纖維記作A-WF。

1.3.2 MWCNTs表面處理

將一定量的MWCNTs置于乙醇溶液中，加入適量的表面改性劑使得乙醇溶液中溶質(zhì)的濃度為500 ppm[17]。設(shè)置細(xì)胞粉碎機(jī)的工作功率為60 W，頻率為20 kHz，使用Φ6 mm變幅桿，超聲一定時(shí)長(zhǎng)，使MWCNTs在溶液中充分分散。分散液用真空泵經(jīng)孔徑為0.2 mm的濾膜過(guò)濾后置于鼓風(fēng)干燥機(jī)中干燥24 h，將得到的粉末記為m-MWCNTs（其中，經(jīng)PVP處理的MWCNTs粉末記為P1-MWCNTs；經(jīng)SDBS處理的MWCNTs粉末記為S-MWCNTs；經(jīng)PEG處理的MWCNTs粉末記為P2-MWCNTs；經(jīng)A-171 處理的MWCNTs粉末記為A-MWCNTs；未處理的MWCNTs粉末記為U-MWCNTs）。

1.3.3 m-MWCNTs / WF / HDPE復(fù)合材料制備

表1 表面改性多壁碳納米管木塑復(fù)合材料原料配方Tab. 1 Formulation of the MWCNTs/WF/HDPE composites

按照表1將原料混合均勻后置于HAAKE扭矩流變儀中在140 ℃、轉(zhuǎn)速40 r/min條件下混煉15 min[18]，待轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定后完成混煉并卸料。用小型粉碎機(jī)將卸出的塊狀原料破碎，破碎程度為70～300目。

設(shè)定平板硫化機(jī)上下模板溫度均為170 ℃，模具裝樣后兩面鋪墊玻璃紙裝夾在鋼鐵熱壓板中，上機(jī)預(yù)熱10 min，分3個(gè)階段由低到高加壓（5、10、15 MPa），每次加壓后將壓力釋放回0 MPa，以防止在樣品內(nèi)產(chǎn)生氣泡，該過(guò)程重復(fù)6～10次。隨后一次性加壓至15 MPa，保壓10 min，取出后在冷板中保壓10 min[19]，即得到木塑復(fù)合材料。

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 力學(xué)性能測(cè)試

彎曲性能按照ASTM D790-17 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，試樣尺寸為100 mm × 18 mm × 4 mm，跨距80 mm，加載速度2 mm/min，每組試樣重復(fù)測(cè)試5 個(gè)。

拉伸性能按照ASTM D638-14 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，啞鈴型模壓試樣，總尺寸為165 mm × 19 mm × 3 mm，標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度50 mm，拉伸速度5 mm/min，每組試樣重復(fù)測(cè)試5 個(gè)。

1.4.2 界面形態(tài)分析

采用冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)復(fù)合材料界面進(jìn)行分析。制樣時(shí)，將樣品浸泡在液氮中20 min，用鑷子在液體中對(duì)樣品進(jìn)行冷凍脆斷，之后用導(dǎo)電膠將其斷面朝上粘在樣品臺(tái)上，表面噴金處理后用SEM觀察，加速電壓10 kV。

1.4.3 電阻及熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試

電阻按照GB/T 31838.2—2019 標(biāo)準(zhǔn)選用直接法測(cè)量，室溫下將系統(tǒng)源儀表和10 kV電源串聯(lián)以測(cè)量體積電阻（Rv）。用于電阻率測(cè)量的樣品尺寸為Φ40×1 mm。圓形電極的尺寸為Φ25mm。電阻率s用下式確定：

其中S是圓形電極的有效面積（S = 4.91×10-4m2）；L是樣品的平均厚度，m。

熱擴(kuò)散系數(shù)按照ASTM E1461-13 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，圓形模壓試樣尺寸Φ12.7 × 1 mm，每組試樣重復(fù)測(cè)試3 個(gè)。

1.4.4 傅立葉變換紅外光譜(FTIR)分析

分別取2 mg未處理的MWCNTs與表面改性劑處理的MWCNTs樣品在瑪瑙研缽中研磨成細(xì)粉末，然后與約100 mg干燥溴化鉀（200 目）混合均勻后裝入模具內(nèi)，在壓片機(jī)上壓制成薄片，應(yīng)用傅立葉變換紅外光譜儀進(jìn)行紅外分析，波數(shù)范圍4 000～500 cm-1，分辨率 4 cm-1，掃描次數(shù)40 次。

1.4.5 X射線衍射圖譜（XRD）分析

以金屬銅為靶材，設(shè)置X射線衍射儀的管壓為40 kV，管流為40 mA，Kα射線波長(zhǎng)為 1.540 6 ?，步長(zhǎng)0.05°。在10°～90 °角度范圍內(nèi)，以連續(xù)掃描方式進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲處理時(shí)長(zhǎng)對(duì)MWCNTs分散性的影響

超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)的工作原理是通過(guò)電能推動(dòng)換能器作縱向機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)波通過(guò)浸入在樣品溶液中的鈦合金變幅桿在液體介質(zhì)中產(chǎn)生大量氣泡，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)氣泡潰破，瞬間產(chǎn)生局部高溫高壓使MWCNTs表面能降低或者長(zhǎng)度斷裂。超聲空化作用能夠有效打開(kāi)MWCNTs之間的相互纏結(jié)，達(dá)到分散的目的，但超聲時(shí)長(zhǎng)對(duì)超聲效果有較大的影響。超聲時(shí)間過(guò)短，團(tuán)聚無(wú)法完全打開(kāi)；超聲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，MWCNTs斷裂嚴(yán)重，縱橫比降低，性能受損。由于MWCNTs的醇溶液實(shí)際上屬于膠狀分散體，穩(wěn)定與失穩(wěn)狀態(tài)交替出現(xiàn)，因此可以通過(guò)沉降容積比來(lái)判斷其分散狀態(tài)。由圖1 可知，在初始階段，隨著超聲時(shí)長(zhǎng)的增加，MWCNTs在乙醇中的分散性不斷提升，當(dāng)超聲時(shí)長(zhǎng)為18 min時(shí)，MWCNTs在乙醇中的分散狀態(tài)最佳。而超聲時(shí)長(zhǎng)超過(guò)18 min，MWCNTs的醇溶液重新失穩(wěn)，72 h沉降容積比呈下降趨勢(shì)。當(dāng)細(xì)胞粉碎機(jī)工作功率為60 W，頻率為20 kHz，變幅桿直徑為6 mm時(shí)，MWCNTs在乙醇中的最佳超聲時(shí)間為18 min。圖2 為超聲18 min處理前后MWCNTs的SEM照片，可以看到MWCNTs的團(tuán)聚被打開(kāi)，同時(shí)MWCNTs長(zhǎng)度由原來(lái)的10～30 mm變?yōu)? 000 nm甚至更短。

圖1 不同超聲時(shí)間處理的MWCNTs 醇溶液72 h沉降容積比Fig.1 Sedimentation volume ratio of alcohol solution of MWCNTs treated with diあerent ultrasonic times after 72 h

圖2 超聲18 min前后的MWCNTs SEM圖Fig.2 SEM picture of MWCNTs (a) before and (b) after 18 min ultrasound treatment

2.2 不同表面改性劑處理MWCNTs的FTIR光譜分析

圖3 m-MWCNTs的紅外光譜Fig.3 The infrared spectra of m-MWCNTs

如圖3 所示，U-MWCNTs在1 600cm-1和3 450 cm-1處出現(xiàn)吸收峰，其中1 600 cm-1處的振動(dòng)峰是碳納米管管壁的E1u振動(dòng)模式，它表明碳納米管石墨結(jié)構(gòu)的存在；而3 450 cm-1處的峰對(duì)應(yīng)于羥基的振動(dòng)峰[20]。羥基吸收峰的存在是由于碳管本身帶有微量羥基所致，可能是碳管提純過(guò)程中引入的或者是保存過(guò)程中吸收了空氣中的水分造成的。P1-MWCNTs在 1 162 cm-1處出現(xiàn) C—N 的新峰，S-MWCNTs在1 078 cm-1和1 513 cm-1處出現(xiàn)苯磺酸基團(tuán)中S—O和苯環(huán)—C6H5中C==C鍵的伸縮振動(dòng)峰，P2-MWCNTs在933 cm-1和1 211 cm-1處出現(xiàn)一級(jí)胺的特征峰，代表N—H的面外變形振動(dòng)和C—N的伸縮振動(dòng)，這些特征峰的變化證明了MWCNTs中PVP、SDBS、PEG的存在。A-MWCNTs則出現(xiàn)了較明顯的烷基特征峰，包括2 796～3 037 cm-1附近的 C—H鍵伸縮振動(dòng)峰[21]以及798 cm-1和 1 072 cm-1處分別歸屬于 Si—OH 和 Si—O的吸收峰。這些特征峰的出現(xiàn)是由于硅烷偶聯(lián)劑分子通過(guò)化學(xué)成鍵接枝在MWCNTs 表面所引起的，可見(jiàn)硅烷偶聯(lián)劑功能化處理，確實(shí)在MWCNTs表面接枝上了硅烷分子，這與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果相一致[22]。

2.3 不同表面改性劑處理MWCNTs的XRD圖譜分析

由于SDBS、PEG、PVP屬于非晶結(jié)構(gòu)，因此經(jīng)以上3種表面活性劑處理的MWCNTs XRD 圖譜不會(huì)有新的特征峰出現(xiàn)，在此只對(duì)A-171 處理的MWCNTs做XRD分析。石墨結(jié)構(gòu)的X射線衍射峰有3 處，分別位于26°左右（002 面）一個(gè)較強(qiáng)的衍射峰和42.6°（100 面）以及53.49°（004 面）兩個(gè)較弱的衍射峰[23]。由圖4 可知，與未處理的MWCNTs的衍射圖譜相比，A-MWCNTs在這三處特征峰位置，峰值與MWCNTs基本吻合，且衍射峰寬度幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明A-171 處理基本未對(duì)MWCNTs的結(jié)構(gòu)造成破壞。但經(jīng)A-171 處理后，其特征峰發(fā)生了向左偏移，這可能是因?yàn)锳-171 與MWCNTs 相互作用，使 MWCNTs 的晶格發(fā)生了變化。這也說(shuō)明了A-171 成功地修飾了 MWCNTs。

圖4 MWCNTs與A-MWCNTs的X射線衍射圖譜Fig.4 X-ray diあraction patterns of MWCNTs and A-MWCNTs

2.4 不同表面改性劑對(duì)MWCNTs/WF/HDPE復(fù)合材料電性能影響

由圖5 可知，用濃度為500 ppm的偶聯(lián)劑和表面活性劑處理MWCNTs對(duì)MWCNTs/WF /HDPE復(fù)合材料的電阻率有不同程度影響。其中，硅烷偶聯(lián)劑A-171 處理使得MWCNTs/WF/HDPE復(fù)合材料電阻率下降幅度最大，下降了1 個(gè)數(shù)量級(jí)，比未處理時(shí)（3.16×105Ω·m）降低87.3%。硅烷偶聯(lián)劑A-171 分散MWCNTs的作用機(jī)理與處理WF相似。MWCNTs與WF表面都存在一定量的羥基，首先A-171 中的甲氧基水解形成硅醇，硅醇與MWCNTs表面的羥基結(jié)合，脫去水分，形成氫鍵。然后連接在MWCNTs表面的硅羥基之間繼續(xù)縮聚，形成硅氧烷，最后在加熱條件下硅氧烷又脫去水分，偶聯(lián)劑分子與MWCNTs之間便形成共價(jià)鍵連接。其次是PEG處理MWCNTs，使復(fù)合材料電阻率下降了75.0%。PEG對(duì)MWCNTs起分散作用是由于其表面存在疏水長(zhǎng)支鏈，能夠通過(guò)分子自組裝包覆在MWCNTs表面，從而降低MWCNTs的表面自由能，提高碳納米管在基體中的分散性。SDBS的分散機(jī)理是表面活性劑在水中電離產(chǎn)生負(fù)電荷，靜電斥力與MWCNTs之間的范德華力產(chǎn)生拮抗作用，從而打開(kāi)團(tuán)聚狀態(tài)，使MWCNTs之間保持穩(wěn)定距離。

圖5 不同表面改性劑對(duì)MWCNTs/WF/HDPE復(fù)合材料電阻率的影響Fig.5 Eあect of diあerent surface modifiers on electrical resistivity of MWCNTs/WF/HDPE composites

電阻率測(cè)試和XRD圖譜的分析表明，與非共價(jià)鍵修飾相比，共價(jià)鍵修飾的A-MWCNTs對(duì)MWCNTs/WF/HDPE復(fù)合材料電性能的提升程度更大，這是由于硅烷偶聯(lián)劑處理在不造成MWCNTs結(jié)構(gòu)破壞的同時(shí)使得MWCNTs與基質(zhì)的結(jié)合更為緊密，更有利于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和其中電子的傳輸[24]。下面利用濃度為500 ppm的A-171 乙醇分散液處理不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MWCNTs，將其摻入WPC中，研究MWCNTs分散性對(duì)導(dǎo)電滲流閾值的影響。

如圖6 所示，MWCNTs與WF均經(jīng)A-171 處理后，隨著MWCNTs含量的增加，WPC的電阻率隨之下降，且與MWCNTs未處理時(shí)相比，在原滲流閾值0.5wt%附近電阻率的下降趨勢(shì)不再特別顯著，而呈線性變化。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明，隨著MWCNTs在基體中分散性的提高，MWCNTs在WF/HDPE中的導(dǎo)電滲流閾值已經(jīng)向填料濃度更小的地方偏移。也就是說(shuō)，MWCNTs經(jīng)過(guò)表面改性劑A-171 處理確實(shí)能夠以更低的填充量達(dá)到更高的電導(dǎo)率。

圖6 A-MWCNTs/WF / HDPE復(fù)合材料的電阻率Fig.6 Electrical resistivity of A-MWCNTs/WF / HDPE composites

2.5 不同表面改性劑對(duì)MWCNTs/WF/HDPE復(fù)合材料熱性能影響

由圖7 可知，表面改性劑在改善復(fù)合材料電性能的同時(shí)對(duì)復(fù)合材料的傳熱性能也有提高作用。P2-MWCNTs/WF/HDPE復(fù)合材料的熱導(dǎo)率提升幅度最大，達(dá)到0.84 W/(m·K)，比摻入相同質(zhì)量未處理的MWCNTs提高了85.5%；其次是經(jīng)A-171 處理的A-MWCNTs，摻入WPC后熱導(dǎo)率達(dá)到0.77 W/(m·K)，比未處理時(shí)提高70.7%；PVP和SDBS的改善效果相近，分別提高了44.0%和40.7%。結(jié)合表面處理對(duì)電阻率的影響，作用效果較好的表面改性劑是A-171 和PEG。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)抗靜電、高導(dǎo)熱使用需求的側(cè)重不同，分別選用抗靜電效果更好的A-171 或者導(dǎo)熱效果更好的PEG處理MWCNTs。

圖7 不同表面改性劑對(duì)MWCNTs/WF/HDPE復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響Fig.7 Eあect of diあerent surface modifiers on thermal conductivity of MWCNTs /WF / HDPE composites

2.6 不同表面改性劑對(duì)MWCNTs/WF/HDPE復(fù)合材料力學(xué)性能影響

如圖8 所示，4 種表面改性劑處理MWCNTs均能在一定程度上提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。其中，影響較為顯著的是A-171。在WF經(jīng)A-171 處理的基礎(chǔ)上添加A-171 修飾的MWCNTs，能夠?qū)?fù)合材料的彎曲強(qiáng)度提升至27.47 MPa，彈性模量提升至2 399 MPa，拉伸強(qiáng)度提升至18.64 MPa，比未處理MWCNTs分別提高5.8%、13.7%和12.9%。這是因?yàn)锳-171 雙官能團(tuán)的存在可以一邊與WF、MWCNTs上的羥基反應(yīng)，一邊與HDPE連接，構(gòu)成填料、基體三相物質(zhì)彼此連接，互相滲透、交錯(cuò)的三維結(jié)構(gòu)[25]。另一方面，使用A-171 對(duì)WF和MWCNTs進(jìn)行雙處理，不會(huì)引入新的物質(zhì)，簡(jiǎn)化了復(fù)合體系的物質(zhì)組成，減少了不必要的微觀界面存在，因此可以認(rèn)為，在進(jìn)一步提高M(jìn)WCNTs/WF/HDPE復(fù)合材料的電、熱、力學(xué)性能的探究中A-171 是更為適宜的MWCNTs表面處理劑。

圖8 不同表面改性劑對(duì)MWCNTs/WF/HDPE復(fù)合材料力學(xué)性能的影響Fig.8 Eあect of diあerent surface modifiers on mechanical properties of MWCNTs /WF / HDPE composites

3 結(jié)論

1）超聲處理能有效改善MWCNTs在乙醇中的分散性，當(dāng)超聲處理時(shí)長(zhǎng)為18 min時(shí)，MWCNTs具有最大沉降容積比，分散性能最佳；

2）不同表面改性劑種類(lèi)對(duì)MWCNTs/WF/HDPE復(fù)合材料的電性能有不同程度的影響，當(dāng)表面改性劑在乙醇中的濃度為500 ppm時(shí)，A-171 處理對(duì)MWCNTs/WF/HDPE電阻率的改善效果最為明顯，其電阻率下降了1 個(gè)數(shù)量級(jí)，比未處理時(shí)降低87.3%；

3）不同表面改性劑種類(lèi)對(duì)MWCNTs/WF/HDPE復(fù)合材料的熱性能均有一定程度的提高作用，其中PEG和A-171 處理MWCNTs的效果尤為顯著，分別將復(fù)合材料的熱導(dǎo)率從0.45 W/(m·K)提高至0.84 W/(m·K)和0.77W/(m·K)；

4）A-171 表面修飾能夠有效改善MWCNTs/WF/HDPE復(fù)合材料的力學(xué)性能，將復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、彈性模量和拉升強(qiáng)度分別提升至27.47 、2 399 MPa和18.64 MPa，比未處理MWCNTs分別提高5.8%、13.7%和12.9%。