70/30 (wt/wt) PC/ABS 纳米复合材料的特性及特征

在过去的二十年中，研究人员广泛研究了纳米材料在聚合物基质纳米复合材料中作为增强材料的应用。一些常见的纳米填料包括粘土、碳纳米管（CNTs）、石墨烯、氮化硼（BN）和埃洛石纳米管（HNTs）。

多壁碳纳米管（MWNT）作为增强聚合物基质的填料具有吸引力，因为它们具有直径在几十纳米范围内、长度以微米计的特点。MWNT具有高长径比（L/D），低浓度的MWNT可以覆盖与聚合物接触的大表面积，并且可以进行大规模商业生产，因此具有巨大的工业应用潜力。

MWNT具有一些缺陷，这些缺陷可以通过拉曼光谱进行表征。拉曼光谱显示出D带强峰，而在无缺陷的单壁碳纳米管（SWNT）中不存在。

透射电子显微镜（TEM）图像显示，MWNT在合成粉末后呈纠缠状态。这种纠缠以及范德瓦尔斯力的作用使得MWNT在聚合物中的分散成为一项具有挑战性的任务。

PC/ABS 共混物及其纳米复合材料加工

PC、ABS和MWNT首先在90 C的真空条件下干燥10小时，以去除材料中的水分。使用熔融混合方法将多壁碳纳米管增强PC70ABS30共混物制备成纳米复合材料。同向旋转型双螺杆挤出机被用于混合MWNT、PC和ABS。

所使用的双螺杆挤出机是Aasabi Machinery Pvt. Ltd.，印度生产的，具有25毫米的螺杆直径和30:1的长度与直径之比。双螺杆挤出机的三个区域的操作温度分别为225 C、235 C和250 C。双螺杆的转速为60转/分钟。在PC70ABS30共混物中，MWNT的浓度在0.5-1.5重量％之间变化。

挤出的线状料被堆放，并在90 C的真空条件下再次干燥10小时，以去除材料中的水分。这些颗粒用于使用注塑机制备用于弯曲和冲击测试的测试样本。在加工过程中，三个区域的温度为245 C、250 C和250 C，压力为8巴。

使用压塑机制备了多壁碳纳米管增强PC70ABS30共混物及其用于流变表征的纳米复合材料样品。对于直径为25毫米、厚度为1毫米的样品，加工条件为250 C和12兆帕。

该研究使用了Raman光谱和透射电子显微镜（TEM）对MWNT进行表征。制备MWNT的TEM样品是通过将MWNT在异丙醇中超声处理混合，然后滴在铜基板上，在热板上干燥而得到的。

使用FEI的Tecnai G2 F30型TEM观察MWNT沉积在铜基板上的情况。拉曼光谱研究使用共焦显微拉曼光谱仪（HR8-UV，法国）在400-4000 cm^-1的光谱范围内对多壁碳纳米管进行。

对MWNT增强的PC70ABS30混合物及其纳米复合材料也进行了拉曼光谱研究。

流变学研究使用MCR 301流变仪（Physica Anton Paar）在260 C下进行，用于MWNT增强的PC70ABS30混合物及其纳米复合材料。流变学研究使用锥板夹具，锥的直径为25毫米，保持1毫米的恒定间隙以测量粘度随剪切速率的变化。

注塑弯曲试样按照ASTM D790的标准尺寸制备，并使用万能试验机（Tinius Olsen，英国）进行测试。测试使用10 kN的测压元件和2 mm/min的延伸速率。弯曲测试中进行了5个样本的测试，并报告平均值，标准偏差小于5%。

冲击测试使用摆锤冲击试验机（国际仪器公司，印度）进行，采用ASTM D256中的悬臂梁式测试模式，并使用无缺口样品。冲击测试中进行了5个样本的测试，并报告平均值，标准偏差小于5%。

断口研究使用德国Carl Ziess的扫描电子显微镜（SEM）和美国Thermofisher Scientific的Apreo2 SEM进行。MWNT增强的PC70ABS30混合物及其纳米复合材料的动态力学分析（DMA）是在PerkinElmer的DMA上进行的。

DMA测试在三点弯曲模式下进行，频率为1 Hz，加热速率为2 C/min，温度范围为25 C至170 C。每个DMA测试对样品重复进行了三次。划痕测试使用印度制造的Ducomp Instruments的划痕测试仪对PC70ABS30共混物及其复合材料进行了测试。

MWNT 的表征

为了对原始MWNT进行表征，使用了拉曼光谱和透射电子显微镜（TEM）。对于TEM表征，将MWNT分散在异丙醇中使用浴式超声仪，并将一滴溶液滴在铜网格上，然后通过热板蒸发异丙醇。

为了进一步研究MWNT的纯度，进行了拉曼光谱记录。位于1571 cm^-1和1337 cm^-1处的两个明显峰，分别对应MWNT的G带和D带。

G带用于描述MWNT的石墨晶格的有序结构，而MWNT的G带起源于碳-碳键的面内振动。D带则表示石墨晶格中的无序性和MWNT中存在的缺陷。G带和D带的强度比（I_G/I_D）被用来表征MWNT的结晶度。

MWNT的I_G/I_D比值为0.98。需要注意的是，I_G/I_D比值小于1，表明石墨晶格的晶体尺寸较小，表明存在明显的缺陷。通过化学气相沉积（CVD）方法合成的MWNT存在晶格缺陷，这是从供应商处获得的多壁碳纳米管（CNT）样品的特征。

纳米复合材料的形态学、流变学和拉曼光谱

MWNT增强的PC70ABS30共混物及其纳米复合材料的机械性能受形态演变和MWNT的分散情况的影响。对冲击断裂表面进行了扫描电子显微镜（SEM）观察，并对MWNT增强的PC70ABS30混合物及其纳米复合材料进行了拉曼光谱分析。

PC70ABS30共混物冲击断裂的SEM图像，揭示了基体-液滴形态的演变过程，其中PC形成基体，ABS形成液滴。ABS液滴被细致地分散在PC基质中。液滴的形成可以通过聚合物在熔融状态下的流动行为来解释，其中次要相ABS在剪切力的作用下被拉伸并分解成各种直径的液滴。

随着多壁碳纳米管在PC70ABS30共混物中的分散，了解多壁碳纳米管在相中或界面中的存在变得至关重要。可以使用PC、ABS和多壁碳纳米管之间的界面张力计算来预测多壁碳纳米管在PC70ABS30共混物中的选择性分散在哪个相中。

MWNT增强的PC70ABS30共混物及其纳米复合材料是在260 C下进行熔融混合的。在这种熔融加工条件下，PC和ABS处于粘性液态，而MWNT处于固态。得到PC/MWCNT和ABS/MWCNT的表面张力分别为-35.982 mJ/m2和-28.206 mJ/m2。

与ABS/MWCNT相比，PC/MWCNT的表面张力值显示出最高的负值，表明MWNT更倾向于在PC相中润湿和分散。可以明显看出MWNT在PC70ABS30共混物的PC相中的选择性分散会影响粘度。

在这方面，进行了流变学表征，研究了MWNT增强的PC70ABS30共混物及其纳米复合材料。MWNTs增强的PC70ABS30共混物及其纳米复合材料的粘度与剪切率之间的关系曲线。

在0.002 1/s的零剪切粘度平台和1 1/s的剪切稀化区域中记录了纯共混物和MWNT增强的PC70ABS30混合物及其纳米复合材料的粘度值。与PC70ABS30共混物相比，加入0.5 wt%的多壁碳纳米管的增强表明粘度值增加。

MWNT增强剂的粘度增加是由于MWNT在PC基质中的分散促进了高界面面积，抵抗PC链的流动。与0.5 wt% MWNT增强的PC70ABS30共混物及其纳米复合材料相比，加入1 wt% MWNT增强的PC70ABS30共混物及其纳米复合材料的粘度值进一步增加。

与1 wt% MWNT增强的PC70ABS30共混物及其纳米复合材料相比，加入1.5 wt% MWNT增强的PC70ABS30共混物及其纳米复合材料的粘度值没有显著变化。

多壁碳纳米管在聚合物基质中会发生聚集；而较低浓度的MWNT在聚合物基质中显示出MWNT簇聚的现象。流变学研究表明PC70ABS30共混物中MWNT的浓度聚集分散为1.5 wt%。

对纯共混物和多壁碳纳米管增强的PC70ABS30混合物及其纳米复合材料的数据进行幂律方程的拟合，可以很好地理解剪切稀化行为。幂律方程可以表示为以下形式：τ = Kγ^n，其中τ是不同剪切速率下的粘度，K是一致性系数，n是幂律指数。

从拟合得到的幂律方程中的n值。纯共混物和MWNT增强的PC70ABS30共混物及其纳米复合材料的所有组合物均显示出n值小于1，表现出假塑性行为。纯PC70ABS30混合物的n值为0.64。

与PC70ABS30共混物相比，在PC70ABS30共混物及其纳米复合材料中添加0.5 wt%的多壁碳纳米管显示出n值降低（0.57），表明聚合物链的解缠结程度更高，可加工性得到改善。添加1 wt%的MWNT到PC70ABS30共混物及其纳米复合材料中显示出的n值（0.58）没有显著变化。

在PC70ABS30共混物及其纳米复合材料中添加1.5 wt%的MWNT，与0.5-1 wt%的MWNT增强的PC70ABS30共混物及其纳米复合材料相比，n值增加到0.6，表明MWNT的聚集分散导致纳米复合材料表现出更多的假塑性行为。

MWNT与PC相的相互作用可以通过拉曼光谱来确定。正如之前提到的，两个突出峰位于1571 cm^-1和1337 cm^-1处，与MWNT的G带和D带相关。

PC70ABS30共混物的拉曼光谱在1605 cm^-1处显示了一个峰，该峰源自PC相。添加0.5-1 wt%的MWNT增强的PC70ABS30共混物及其纳米复合材料的拉曼光谱在1500-1700 cm^-1的范围内显示了双峰，分别对应G带和PC相。

这些峰位显示了MWNT的G带和D带分别向更高的波数方向移动（蓝移），分别为1582 cm^-1和1347 cm^-1。

添加0.5-1 wt%的MWNT增强的PC70ABS30共混物及其纳米复合材料的拉曼光谱显示，与纯共混物中PC相的1605 cm^-1相比，峰值向较低的波数移动。这一观察结果证实了PC和MWNT之间的相互作用。

流变特性的研究显示，添加0.5 wt%的MWNT增强PC70ABS30共混物，其粘度增加，表明MWNT在熔体相中解开了聚合物链的缠结。与纯混合物相比，MWNT增强的PC70ABS30共混物及其纳米复合材料的幂律指数较低，表明聚合物链的解缠结程度更高，从而改善了材料的可加工性。

拉曼光谱的研究表明MWNT与PC相之间存在相互作用。动态力学分析（DMA）显示，添加MWNT后，PC70ABS30共混物的储能模量增加，表明MWNT对材料的硬化效果。随着添加MWNT在PC70ABS30共混物及其纳米复合材料中，tanδ值增加，表示能量耗散增加。

添加0.5-1 wt% MWNT增强的PC70ABS30共混物及其纳米复合材料显示出改善的弯曲性能，这是由于MWNT在PC相中良好分散的结果。弯曲断裂机制包括在表层形成裂纹，并在多壁碳纳米管增强的PC70ABS30共混物及其纳米复合材料的主体区域形成小平面的剪切带。

添加1 wt%的MWNT增强PC70ABS30共混物及其纳米复合材料显示出显着改善的冲击性能。冲击断裂机制包括边缘变形、河纹、条纹相关剪切带、裂纹、空化和刻面形成。

划痕研究表明，在0.5-1 wt%的MWNT增强PC70ABS30共混物中，MWNT的分散性得到改善，其纳米复合材料具有稍高的划痕摩擦系数和划痕力。

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