成大研發快訊 - 文摘
成大研發快訊 第十一卷 第一期 - 2009年十月十六日
[ http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c/20091016/4.html ]
含有以電漿改質過之奈米碳管/聚醯亞胺奈米複材的特 性分析 周琬蓉1、王振乾2、陳志勇1,*
1國立成功大學化學工程學系、2南台科技大學化學與材料工程系 ccy7@ccmail.ncku.edu.tw
Composites Science and Technology,(Apr.15,2008);68(10-11):2208-2213
奈米材料為目前研究之一重要課題。當用來補強的材料達到奈米尺 寸，可以展現出不同於微米尺寸的特性。近年來使用單壁奈米碳管與 多壁奈米碳管來提升高分子材料之性質，因起很多的注意。由於奈米 碳管與高分組成的奈米複材，經由添加奈米碳管之後可以有效的把材 料的應力轉移使得材料的機械性質得到有效的補強，同時也可以增加 材料的導電性。高分子材料大多為絕緣體，郭多的電荷容易在材料表 面累積，造成靜電效應使得材料局部裂解。因此加入具有導電性質的 奈米碳管，藉以降低靜電效應。雖然在高分子材料中加入奈米碳管，
可以降低靜電效應，但是由於奈米碳管本身擁有極大的比表面積，使 的碳管彼此之間容易團聚在一起，而無法有效的分散於高分子主體 中。因此如何使的碳管均勻分散魚高分子主體中，為目前之一大挑 戰。
為了有效的分散奈米碳管，本研究使用電漿接枝技術，來改質碳管表面。利用此技術不但可以有效的使碳 管均勻分散於高分子主體中，還可以增加此複材的機械性質與電特性。藉由此電漿接枝技術，在碳管表面 接枝少量的馬來酸酐即可以有效的改善碳管於複材中的導電性與機械性質。本研究所使用的方法，要比一 般的化學改質的效率來的要好。
合成此奈米複材使用二酸與二胺當作反應單體，合成一共分為三階段：首先把改質好之帶有馬來酸酐的奈 米碳管先與二胺單體先進行反應，此步驟為重要關鍵步驟，在此步驟中，碳管表面上的酸酐基會先與二胺 單體進行反應，使得碳管與單體因為化學鍵結而有作用力，接下來在把二酸酐單體加入反應器中，加入無 水溶劑進行縮和聚合反應，最後再把合成好的聚醯胺酸成膜在玻璃基版上，在320℃進行熱閉環，即可製 備出一系列的奈米碳管聚醯亞胺複材。
把製備出來的一系列複材，進行不同的特性分析，包括電性質、機械性質、熱性質。實驗發現，當利用碼 來酸酐改質的奈米碳管於聚醯亞胺的添加量介於0-0.5wt%,複材的機械性質(圖一、二、三)成正比增加，最 佳值為0.5wt%,楊氏模數4.56GPa拉伸應力249MPa和延伸率，與添加為改質的奈米碳管相比之下分別增加 110%,100%%隨著奈米探管的添加量超過，複材的機械性質因為碳管開始局部聚集，使得應力無法被有效 的轉移，反而形成缺陷。由TEM(圖三) 觀察出，當奈米碳管的含量超過碳管已經無法有效地被均勻分散，
因此進行機械性質測定時自然地由缺陷處（聚集）開始降低。
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Fig.1 Young’s Modulus with different CNT content.
Fig.2 Tensile strength and Elongation @ break with different CNT content.(a)mCNT/PI (b)CNT/PI.
Fig.3 TEM images of CNT/polyimide and mCNT/polyimid composite films: (a) CNT-0.5 wt%, (b) CNT- 1.0 wt%, (c) mCNT-0.5 wt% and (d) mCNT-1.0wt%.
在電特性方面(圖四)，奈米碳管的添加量介於時，
導電率可以提升三次方(1.2×10-10 to 9.26×10-6 S/
cm)，已經可以達到抗靜電的要求，而且在奈米碳 管低添加量0.5wt%下，高分子膜仍然可以保持透明
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Fig. 4 Comparison the volume conductivities at different mCNT and CNT contents in the polyimide matrix.
度。與未改質的奈米碳碳管相互比較之下，由本實 驗可以得到推以下結論：在聚醯亞胺系統中，由於 改質過過的奈米碳管的表面接枝了馬來酸酐(MA)，
因為馬來酸酐與聚醯亞胺主體產生化學鍵結，使得 奈米碳管可以有效的均勻分散，響較於未改質的奈 米碳管與聚醯亞胺主體間僅存在物理鍵結，所以機 械性質中的應力無法有效的轉移造成機械性質急速 下降；局部團聚的奈米碳管館切斷奈米碳管間的導 電通道，導電率無法有效的增加。
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