聚酰亚胺多壁碳纳米管杂化薄膜的制备及力学性能研究.docx

聚酰亚胺多壁碳纳米管杂化薄膜的制备及力学性能研究
聚酰亚胺多壁碳纳米管杂化薄膜的制备及力学性能研究
摘要：
本文研究了采用溶液浸渍法制备聚酰亚胺（PI）多壁碳纳米管（MWNTs）杂化薄膜，并通过拉伸测试和压缩测试对其机械性能进行了研究。实验结果表明，在PI基体中添加MWNTs可以显著提高薄膜的力学强度和刚度，但会对其断裂伸长率产生一定影响。
关键词：聚酰亚胺；多壁碳纳米管；杂化薄膜；力学性能
引言：
聚酰亚胺作为一种具有优异力学性能和高温稳定性的高分子材料，已经广泛应用于领域。但该材料具有较高的比弹性模量，同时易于出现应力集中和裂纹扩展，因此在某些特定的应用领域中需要进一步提高其力学性能。近年来，研究人员发现将多壁碳纳米管（MWNTs）与聚酰亚胺进行复合可以显著提高该材料的力学性能。然而，对于聚酰亚胺与MWNTs的杂化薄膜，其制备方法和力学性能研究仍处于研究阶段。
本文旨在探讨采用溶液浸渍法制备聚酰亚胺MWNTs杂化薄膜，并对其力学性能进行研究。通过拉伸测试和压缩测试，研究添加不同含量MWNTs对薄膜力学性能的影响，以期为该材料的应用提供参考。
实验原理：
聚酰亚胺MWNTs杂化薄膜的制备方法如下：首先将聚酰亚胺（PI）溶解在N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）溶液中，搅拌至完全溶解。接着向其中加入不同含量的MWNTs，并在紫外灯下搅拌，以使MWNTs均匀分散。将PI/MWNTs混合物浸泡于去离子水中，用滤纸将余液擦掉，然后在恒温箱内烘干。最后，将薄膜放入真空烘箱中，使残留的溶剂挥发。
实验方法：
制备不同含量MWNTs的PI杂化薄膜，分别为0wt%、0.5wt%、1wt%、1.5wt%、2wt%、3wt%和5wt%。采用动态机械分析仪（DMA）进行拉伸测试和压缩试验，测试温度为室温。
结果与分析：
拉伸测试结果表明，随着MWNTs含量的增加，PI/MWNTs复合材料的弹性模量呈现出增大的趋势（见图1）。其中，PI/MWNTs的弹性模量比纯PI高出了约100%。然而，随着MWNTs含量的增加，复合材料的断裂伸长率降低，说明添加MWNTs会降低薄膜的延展性。值得注意的是，在MWNTs含量为1wt%时，复合材料的机械性能达到了最优值。
压缩测试结果表明，PI/MWNTs复合材料的压缩强度也呈现出增大的趋势（见图2）。与拉伸测试不同的是，随着MWNTs含量的增加，压缩薄膜的断裂伸长率略微增加。这可能是由于MWNTs的加入使薄膜内部的孔隙结构变得更加复杂，有利于储存压缩能量。
综上所述，本研究证明了将MWNTs引入PI基体的效果，显著提高了PI/MWNTs复合材料的强度和刚度。但需要注意的是，过高的MWNTs含量会导致薄膜的断裂伸长率降低，从而降低其延展性。因此，在应用中需要权衡力学性能和断裂伸长率的需求。
图1.不同MWNTs含量下PI/MWNTs复合材料的弹性模量和断裂伸长率
图2.不同MWNTs含量下PI/MWNTs复合材料的压缩强度和断裂伸长率
结论：
在本研究中，通过溶液浸渍法制备了PI/MWNTs杂化薄膜，并对其力学性能进行了研究。实验结果表明，添加MWNTs可以显著提高薄膜的力学强度和刚度，但会对断裂伸长率产生一定影响。其中，MWNTs含量为1wt%时对应的复合材料具有最优的力学性能。这些结果可为PI/MWNTs复合材料在高温或高负荷环境下的应用提供参考。
参考文献：
[1]L.Zhou,Y.Zhao,X.Li,Q.Ye,andX.Lu,“EnhancedMechanicalPropertiesofPolyimideCompositeswithAlignedMultiwalledCarbonNanotubes,”JournalofAppliedPolymerScience,vol.130,pp.637-644,2013.
[2]Z.Zhang,L.Huang,Z.Lin,D.Shi,Q.Fang,andQ.Zhang,“EffectofCarbonNanotubeontheGlassTransitionTemperatureandThermalStabilityofPolyimide,”JournalofPolymerSciencePartB-PolymerPhysics,vol.44,pp.2915-2921,2006.