大家好，小编今天给大家分享的这篇文章是关于碳纳米管作为填料能够成功地改善聚合物的理化和力学性能，主要得益于其独特的结构和性能特点。填料与基体的界面相互作用对填料的团聚和复合材料的力学/阻尼性能有显著影响。

本文使用聚多巴胺（PDA），（3-氨丙基）三乙氧基硅烷（KH550）和离子液体（IL）来抑制CNTs的团聚，还可以调节CNTs与羧化丁腈橡胶（XNBR）之间的界面相互作用，从而获得优异的力学性能和较好的阻尼性能。复合材料在添加2.2 wt% CNTs-KH550时，储能模量提高了80%（从1392增至2488 MPa），抗拉强度在添加3.0 wt% CNTs-IL时，提高了110%（从0.32增至0.68 MPa）。

此外，还解决了填料团聚引起的复合材料阻尼退化问题。分子动力学（MD）模拟结果表明，CNTs-PDA和CNTs-HK550的强界面相互作用主要是氢键相互作用，而CNTs-IL的相互作用主要是氢键相互作用和范德华力（vdW）决定的。功能化的碳纳米管具有良好的界面相互作用和分散性能，在复合材料领域具有广阔的应用前景。

引言：

碳纳米管以其独特的结构、优异的化学稳定性、低密度和良好的力学性能，在复合材料中得到了广泛的应用。然而，未功能化碳纳米管的加入并不能显著改善复合材料的力学性能，甚至降低其阻尼性能。这主要是由于碳纳米管的高纵横比和碳纳米管之间的范德华力导致了基体材料的团聚和分散不均。此外，还必须考虑CNTs与聚合物之间界面的设计。优良的界面相互作用有利于有效的机械和阻尼行为。适当的碳纳米管表面功能化是解决这些问题的有效途径。然而，由于CNTs的化学惰性，直接功能化受到很大的阻碍，因此在大多数情况下使用强氧化剂进行氧化预处理。在本研究中，直接使用羧酸碳纳米管来省略氧化过程。虽然碳纳米管的氧化可以导致一些含氧官能团的形成，并稍微解决团聚问题，但这些官能团对基体材料很难有高适应性。因此，为了使复合橡胶获得优良的力学性能和较高的阻尼性能，进一步功能化是必不可少的。

聚多巴胺可以通过π-π相互作用在炭材料表面包覆，接枝后的末端羟基的存在使其成为这些纳米填料的合适改性剂。近年来，许多报道研究了聚多巴胺对CFs、GO和CNTs表面的改性。这些改性产品已应用于各种不同的聚合物，以改善其性能。改性后的官能团仍有利于与XNBR基体的相互作用，但在这方面的研究却很少。因此，本研究选择聚多巴胺作为修饰剂。硅烷偶联剂作为纳米材料的表面活性剂也被广泛应用，不同的硅烷偶联剂被用来实现碳纳米管硅烷化。KH550接枝后能产生羟基和氨基，是改善碳纳米管在基体中的分散和增强其界面相互作用的最佳选择。KH550也被选为本研究的修饰剂。离子液体也是一种可以提高碳纳米管在基体材料中的分散性的表面改性剂，离子液体功能化可以促进碳纳米管与橡胶的结合。本文选用了一种新型离子液体进行功能化。离子液体中的C≡C键和接枝过程中产生的酰胺基团被认为是改善碳纳米管分散的关键。因此，选择三种不同的改性剂来实现碳纳米管的表面功能化，调节功能化后的碳纳米管与基体的界面相互作用。

羧化丁腈橡胶（XNBR）是一种弹性离子交联聚合物，它含有不饱和的C≡C键和羧基。与丁腈橡胶相比，羧化丁腈橡胶具有更好的力学性能和阻尼性能，但仍不能满足工业应用的需要。因此，提高XNBR的性能是本文工作的重要目标之一。CNTs/橡胶复合材料的制备方法也是其重要组成部分。目前主要的制备方法有乳液复合、溶液共混和机械熔体混合。其中，机械熔体混合方法是最方便、最实用的。该方法在工业生产中应用广泛，所以本文的实验采用该方法。最后，对不同功能化碳纳米管的结构和组成进行了详细的表征。从界面相互作用的角度讨论了不同CNTs/橡胶复合材料的微观结构和性能，从而提出了复合材料的增强机理。

图1 （a）PDA、（b）KH550和（c）IL对CNTs表面功能化的过程（虚线表示改性过程中化学键断裂和形成的位置）。(d)功能化碳纳米管的分散机制（虚线代表氢键）。

图2 XPS宽扫图，（a）羧酸CNTs，（b）CNTs-PDA，（c）CNTs-KH550和（d）CNTs-IL。

图3 XPS C 1S核级谱，（a）羧酸CNTs，（b）CNTs-PDA，（c）CNTs-KH550和（d）CNTs-IL。

图4 羧酸CNTs、CNTs-PDA、CNTs-KH550和CNTs-IL 的FTIR光谱。

图5 羧酸CNTs、CNTs-PDA、CNTs-KH550和CNTs-IL的热重分析结果。

图6 TEM图，（a）羧酸CNTs，（b）CNTs-PDA，（c）CNTs-KH550和（d）CNTs-IL。

图7 与温度有关的储能模量，（a）XNBR/CNTs，（b）XNBR/CNTs-PDA，（c）XNBR/CNTs-KH550与（d）XNBR/CNTs-IL。

图8 XNBR加入3 wt%填料的机械性能，（a）应力-应变曲线，（b）不同应变下的拉伸强度。

图9 纯XNBR、XNBR/CNTs、XNBR/CNTs-PDA、XNBR/CNTs-KH550与XNBR/CNTs-IL的tan δ。

图10断口表面的SEM图，（a，b）XNBR/CNTs-3 wt%，（c，d）XNBR/CNTs-PDA-3 wt%，（e，f）XNBR/CNTs-KH550-3 wt%与（g，h）XNBR/CNTs-IL-3 wt%。

图11复合橡胶（a）温度和（b）能量随模拟时间变化曲线。

图12 MD模拟模型（a）XNBR/CNTs-PDA，（c）XNBR/CNTs-KH550，（e）XNBR/CNTs-IL复合材料（蓝色球表示N原子，红色球表示O原子，白色球表示H原子，灰色球表示C原子，蓝色虚线表示氢键）。径向分布函数，（b）H（PDA）与 N（XNBR），（d）H（KH550）与N（XNBR），（f）N（IL）与 H（XNBR）。

总结：

本文成功地制备了三种不同功能化的碳纳米管，并对其复合材料的力学性能、阻尼性能等进行了测试。可以得出以下结论：

（a）PDA、KH550和IL分别通过π-π相互作用、水解反应和酰胺化反应实现了碳纳米管的表面功能化，提高了填料在丁腈橡胶中的分散性。接枝产物的含量分别为7.7%（PDA）、3.6%（KH550）和1%（IL）。

（b）防止了碳纳米管在丁腈橡胶中的团聚，实现了碳纳米管的均匀分散。MD模拟表明，改性剂与橡胶链的相互作用是导致这种效应的重要因素。CNTs PDA/CNTs-KH550与XNBR的界面作用主要是氢键作用。然而，对于CNTs-IL，vdW起着重要作用。

（c）复合橡胶的力学性能有了很大的提高，阻尼性能失效得到了很好的抑制。其中，XNBR/CNTs-KH550的储能模量（2488MPa）得到最大提高（比纯XNBR提高了80%），其中XNBR/CNTs-IL的拉伸性能（0.68MPa）最为突出（比纯XNBR提高了110%）。因此，本文提供了一种对碳纳米管进行功能化的途径，这在工业领域非常有意义。