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聚胺酯 / 奈米碳管奈米 複合材料合成與物性之研究

聚胺酯 / 奈米碳管奈米 複合材料合成與物性之研究. 化材三甲 嚴啟豪 49740052. 研究動機. 複合材料是 基材 與 補強材料 的結合，創造出不同於原有材料性質的新材料，並可滿足輕、省、強等需求。 由於高分子材料質輕、便宜、形狀靈活度高且抗腐蝕，使其成為複合材料中母材選擇的大宗，但是高分子材料的缺點為機械性質普遍不佳，容易損壞，故需加入補強材來提昇其機械性質或其他性質。. 研究動機.

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聚胺酯 / 奈米碳管奈米 複合材料合成與物性之研究

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  1. 聚胺酯/奈米碳管奈米複合材料合成與物性之研究聚胺酯/奈米碳管奈米複合材料合成與物性之研究 化材三甲 嚴啟豪 49740052

  2. 研究動機 • 複合材料是基材與補強材料的結合，創造出不同於原有材料性質的新材料，並可滿足輕、省、強等需求。 • 由於高分子材料質輕、便宜、形狀靈活度高且抗腐蝕，使其成為複合材料中母材選擇的大宗，但是高分子材料的缺點為機械性質普遍不佳，容易損壞，故需加入補強材來提昇其機械性質或其他性質。

  3. 研究動機 • 本文藉由物理摻混的方式，將奈米碳管導入高分子基材聚胺酯中，先一步將碳管進行改質，以使添加材良好分散於基材中，期望以碳管優異的特性使聚胺酯蛻變為具強機械性質、高熱穩定性之導電薄膜，進一步由熱傳導度與導電度間之關係。

  4. 儀器使用 傅立葉轉換紅外線光譜儀 (Transform Infrared Spectrometer, FTIR) • 取出少許之待測物溶液，塗於 KBr 鹽片上，置於 holder 中進行測試，掃描波數範圍從 4000cm-1~450cm-1，掃描次數為 8 次，解析度 2cm-1。

  5. 奈米碳管官能基化之製備

  6. 奈米碳管官能基化 • 多層奈米碳管是由許多同軸單層奈米碳管所組成，由於奈米碳管化學性質穩定且其表面不具備任何官能基，因此不易溶解或分散於有機溶劑或水中。 • 本研究將多層奈米碳管經混酸(H2SO4：HNO3＝3:1)處理，於奈米碳管表面結構產生氧化作用。

  7. 奈米碳管官能基化 • 圖 1 為多層奈米碳管及其經不同時間官能基化後之 FTIR 光譜。 • 經官能基化之奈米碳管出現 3410cm-1、1714cm-1、1210cm-1 三個多層碳管所沒有的吸收峰，分別為 O-H、C=O、C-O 之伸縮震振動吸收峰 • 2993cm-1、2875cm-1 則為 C-H 之吸收峰，吸收強度變的較多層奈米碳管明顯 • 1581cm-1 之 C=C 吸收峰，由於氧化作用導致吸收強度減弱，由此可知奈米碳管表面確已接上有機官能基團。

  8. 圖1 多層奈米碳管經不同時間官能基化 (a)0hr(b)12hr (c)24hr (d)36hr之FTIR光譜

  9. 聚胺酯/奈米碳管複合材料之製備

  10. 聚胺酯/奈米碳管奈米複合材料 • 由前可知，多層奈米碳管經不同官能基化(酸化)時間後，確會於碳管表面生成不同官能基當量之有機官能基團，其與高分子基材(聚胺酯)產生分子間作用力。 • 主要是依賴硬鏈段中 urethane group 與奈米碳管表面官能基所形成。 • 主要有以下兩種型式： 1. urethane group C=O與奈米碳管表面官能基O-H 2. urethane group N-H 與奈米碳管表面官能基C=O ，可由 FTIR 中尋求印證。

  11. 圖2多層奈米碳管，經不同官能基化(酸化)時間後，會於表面生成不同官能基之有機官能基團，其與高分子基材(聚胺酯)產生分子間作用力(氫鍵)之示意圖。圖2多層奈米碳管，經不同官能基化(酸化)時間後，會於表面生成不同官能基之有機官能基團，其與高分子基材(聚胺酯)產生分子間作用力(氫鍵)之示意圖。

  12. 聚胺酯/多層奈米碳管奈米複合材料不同比例之 FTIR 圖 • 發現隨著多層奈米碳管添加比例的增加，對於複合材料之 FTIR 吸收峰並無明顯變化，此亦是可預料的結果，多層奈米碳管本身不具有任何官能基，無法與聚胺酯形成分子間作用力為合理情況。

  13. 圖 3 聚胺酯/多層奈米碳管奈米複合材料 (a)0 wt%(b)1 wt%(c)5 wt%(d)10 wt% 之 FTIR 圖

  14. 聚胺酯/12hr 改質碳管奈米複合材料不同比例 • 不同於圖3之結果，原本波數 3300cm-1的N-H 吸收峰，添加 12hr 改質碳管 1%時往低波數位移(shift)至波數3289cm-1 ，添加 5% 時位移至波數 3281cm-1 ，添加達 10%時甚至位移至波數 3265cm-1。 • 隨著12hr 改質碳管添加比例的增加，N-H 吸收峰位移的情況愈明顯，表示12hr改質碳管與聚胺酯形成之分子間作用力(氫鍵)愈多。

  15. 除此之外，如圓圈所框，聚胺酯本身因具分子內和分子間氫鍵。除此之外，如圓圈所框，聚胺酯本身因具分子內和分子間氫鍵。 • 所以，其 C=O 之吸收峰分裂為 1.自由不受氫鍵影響的 C=O 吸收峰，波數落於 1730cm-1 處。 2.具氫鍵的 C=O 吸收峰，其波數落於 1708cm-1 處。

  16. 由圖 4得知，聚胺酯分裂之 C=O 吸收峰1730cm-1 吸收強度遠大於氫鍵1708cm-1，然而添加 12hr 改質碳管 1%時1730cm-1 吸收強度變弱，氫鍵1708cm-1 吸收強度則變大，添加達 5%時氫鍵1708cm-1 吸收強度反較1730cm-1 為大，添加 10%時更趨明顯。 • 原因為當改質碳管添加比例增加官能基數增加，碳管與聚胺酯分子間氫鍵相對愈多，導致兩吸收峰相對強度之改變，此亦是判斷氫鍵作用力多寡的利器之一。

  17. 圖4聚胺酯/12hr 改質碳管奈米複合材料 (a)0 wt%(b)1 wt%(c)5 wt%(d)10 wt% 之 FTIR 圖

  18. 聚胺酯/24hr 改質碳管奈米複合材料、聚胺酯/36hr 改質碳管奈米複合材料不同比例之 FTIR 圖 • 結果大致相似於圖 4。 • 不同處為 N-H 吸收峰之位移程度與 C=O 分裂吸收峰之相對強度改變均較前明顯。 • 以上結果歷歷顯示添加材多層奈米碳管官能基化後和基材聚胺酯間確實產生良好作用力。

  19. 圖 5聚胺酯/24hr 改質碳管奈米複合材料 (a)0 wt%(b)1 wt%(c)5 wt%(d)10 wt%之 FTIR 圖

  20. 圖6 聚胺酯/36hr 改質碳管奈米複合材料 (a)0 wt%(b)1 wt%(c)5 wt%(d)10 wt%之 FTIR 圖

  21. 結論 • 本論文以傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR) ，來證實添加材與基材間確有分子間作用力，使原先之構想得一有力佐證。 • 由 FTIR 知，改質奈米碳管與聚胺酯間的確存在分子作用力，造成 N-H 往低波數位移且 free C=0 和氫鍵 C=O 產生相對強度的改變。

  22. 資料來源 • 陳信良, 聚胺酯/奈米碳管奈米複合材料合成與物性之研究, 國立雲林科技大學碩士論文

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