摘 要

泡沫材料作为一种性能优异的新型材料，具有密度小、强度大、绝热、绝缘等特点，在建筑构件、汽车制造业等方面有良好的应用前景。CNTs有着优异的力学、电学等性能，常用于各种复合材料的增强，但是CNTs由于其团聚性严重影响其增强效果。本论文以膨胀微球为发泡基体材料，CNTs为增强相，硅烷偶联剂KH-560为CNTs改性剂，环氧树脂为粘结增强剂，探索了发泡工艺，研究了KH-560对CNTs的改性效果，以及发泡温度、添加的CNTs的质量分数对泡沫复合材料微观形貌和力学性能的影响。

观察分析了未改性CNTs、酸化CNTs、敏化改性CNTs的微观形貌与红外光谱，发现未改性CNTs的团聚现象严重，敏化改性CNTs分散效果明显，在1%-3%的质量分数范围内，KH-560质量分数越高，敏化改性CNTs分散效果越好。

随着发泡温度的提高，泡孔直径的大小变化规律是先增大后减小。当发泡温度由100℃变化至110℃时，泡孔直径由13.46μm变化至16.96μm，110℃泡孔直径达到最大值，发泡温度由110℃变化至140℃时，泡孔直径由16.90μm变化至11.75μm。原因为发泡温度高于110℃时孔壁变薄引起气体扩散至外界，导致微球收缩。随着发泡温度的升高，泡沫复合材料的力学性能先增强后降低，发泡温度由90℃变化至110℃时，压缩强度由13.78MPa增加至16.10MPa，弹性模量由135.23MPa增加至165.98MPa，110℃发泡温度下，泡沫复合材料的压缩强度和弹性模量达到最大值，发泡温度由110℃变化至140℃时，压缩强度由16.10MPa降低至12.76 MPa，弹性模量由165.98MPa下降至123.88MPa。

随着CNTs掺入量的提高，泡孔直径呈现出逐渐减小的变化规律。CNTs掺入量由0.5 wt.%变化至2.0 wt.%时，泡孔直径由14.21μm变化至11.46μm。随着CNTs掺入量的增加，泡沫复合材料的力学性能有明显提高，CNTs掺入量由0变化至2.0 wt.%时，压缩强度由15.61 MPa增加至17.6 MPa，弹性模量由144.53MPa增加至251.42MPa。

关键词：泡沫复合材料；碳纳米管(CNTs)；敏化改性CNTs；泡孔结构；力学性能

Abstract

Foam materials as an excellent new material, have many great features, such as low density, high strength, insulated and heat insulated and so on, have good applications in terms of building components, and automobile manufacturing. CNTs have excellent mechanical, electrical performances, which is often used for kinds of composites reinforced, but because of reunion of CNTs, which have seriously affected results. In this paper, microspheres is base-foamed materials, and CNTs is reinforcement element, silane coupling agent KH-560 is a modifier to modified CNTs, epoxy resin is adhesive enhancer, exploring the foaming process. CNTs modified KH-560 effect, and foaming temperature, CNTs incorporation on the microstructure and mechanical properties of composites foam have been researched.

Observation and analysis on the microstructure and infrared spectra with raw material CNTs, acidification of CNTs, modified of CNTs, the results showed that raw materials CNTs reunited together seriously, modified of CNTs showed a good dispersion effect, and in the mass fraction ranges of 1%-3% , the higher mass fraction KH-560 , modified of CNTs dispersed better.

As the foaming temperature, the cell size increases and then decreases, when the foaming temperature change from 100 ℃ to 110 ℃, the cell size changes from 13.46μm to 16.96 μm , when the foaming temperature change from 110 ℃ to 140 ℃, the cell size variation from 16.96 μm to 11.75 μm. As the expansion temperature increased, the mechanical properties of the foam after the first increased then decreased, when the foaming temperature changes from 90 ℃ to 110 ℃, the compressive strength increased from 13.78 MPa to 16.10 MPa, the elastic modulus increased from 135.23 MPa to 165.98MPa, at 110 ℃ foaming temperature, the compression strength of the composite material reaches the maximum value, the foaming temperature change from 110 ℃ to 140 ℃, compressive strength is lowered from 16.10 MPa to 12.76 MPa, the elastic modulus decreased from 165.98 MPa to 123.88MPa.

With the incorporation of increased amounts of CNTs, the cell size decreases, CNTs incorporated in an amount change from 0.5 wt.% to 2.0 wt.%, the cell size variation from 14.21 μm to 11.46μm. With the increase of incorporation of CNTs, the mechanical properties of the foam composites have significantly improved, when CNTs incorporated in an amount change from. 0.5 wt.% to 2.0 wt%, the compressive strength increased from 15.61 MPa to 17.6 MPa, elastic modulus increased from 144.53 MPa to 251.42MPa.

Key words: foam material; carbon nanotubes (CNTs); modified of CNTs; cell structure; mechanical properties

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1泡沫材料的特点与应用 1

1.1.1泡沫材料的分类 1

1.1.2 泡沫材料的发泡方法 1

1.1.3 泡沫材料的特点 2

1.1.4 泡沫材料的应用 2

1.2泡沫材料增强相研究进展 4

1.2.1纤维增强相 4

1.2.2 无机粒子增强相 4

1.2.3 CNTs增强相 5

1.3 CNTs表面改性进展 5

1.3.1 非共价修饰改性 5

1.3.2 共价修饰改性 6

1.4 环氧树脂 6

1.5 本论文的主要工作 6

1.5.1 本论文工作的提出 6

1.5.2 本论文的主要研究内容 7

第2章 实验与测试 8

2.1 实验原料 8

2.2 实验方案设计与工艺路线 9

2.2.1 实验方案设计 9

2.2.2 实验工艺流程 10

2.3 测试方法 10

2.3.1 基团表征 10

2.3.2 显微结构 11

2.3.3 泡孔直径 11

2.3.4 力学性能 11

第3章 结果与讨论 12

3.1 前言 12

3.2 微球的结构与性质表征 12

3.3 CNTs的改性研究 14

3.3.1 改性CNTs的红外光谱分析 15

3.3.2 改性CNTs的微观形貌分析 17

3.4 纯微球泡沫材料的性能研究 18

3.4.1 发泡温度对纯微球泡沫材料的微观结构的影响 18

3.4.2发泡温度对纯微球泡沫材料泡孔直径的影响 20

3.4.3发泡温度对纯微球泡沫材料力学性能的影响 20

3.5 改性CNTs、环氧增强填充微球泡沫复合材料的性能研究 23

3.5.1 CNTs含量对泡沫复合材料微观断面形貌的影响 23

3.5.2 CNTs含量对泡沫复合材料泡孔直径的影响 24

3.5.3 CNTs含量对泡沫复合材料力学性能的影响 24

第4章 结论 28

参考文献 29

致 谢 32

第1章 绪论

泡沫材料产生于1940年，力学、声学、电学、缓冲减压等各方面的性能十分优越，所以自问世以来受到广大学者和制造商的青睐。从结构上看，它主要包括刚性基本骨架和内部孔洞。因其本身的特点，泡沫材料在使用上具有很大的优势，在功能材料、结构材料或是电极材料等诸多方面应用广泛。随着时代的发展，各个领域不再满足于既有的传统泡沫材料，普遍追求更高性能的新材料，新型泡沫材料应运而生，并且对新型泡沫材料的制备与性能的研究成为了当代泡沫材料的研究热点。与传统泡沫材料相比，新型泡沫材料与传统泡沫材料的区别主要在原料、增强相、成型工艺、孔隙率等方面。经过这样全方位的改进，新型泡沫材料表现的优势非常明显，所以与之相关的研究也成为科学研究的新方向^[1-3]。

1.1泡沫材料的特点与应用

1.1.1泡沫材料的分类

由于选择不同的基体材料，采取不同的制备工艺得到泡沫材料性能会有很大差异，因此泡沫材料的分类方法有多种，常见的分类方法有如下三种：

1. 按密度大小分类：

一般来说，泡沫材料可以通过密度的大小来进行区分，大于0.4g/cm³属于低发泡泡沫材料；大于0.1g/cm³ 小于0.4g/cm³属于中发泡泡沫材料；低于0.1g/cm³称为高发泡泡沫材料^[4]。

1. 按泡孔结构分类：

根据大部分泡孔之间是否互相连通可以对泡沫材料进行另一角度的划分。如果大部分泡孔互相连通则被称为开孔泡沫材料，反之则被称为闭孔泡沫材料^[4]。

1. 按硬度大小分类：

将泡沫材料置于温度为23℃和相对湿度为50%的条件下测试力学性能，弹性模量的大小低于70MPa的被称为软质泡沫材料；弹性模量的大小大于700MPa的被称为硬质泡沫材料，弹性模量的大小介于70-700MPa之间的被称为半硬质泡沫材料^[4-6]。