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研究生:李彬豪
研究生(外文):Bin Hao Li
論文名稱:以對位性聚苯乙烯為基材之多層奈米碳管複合材料製備與性質分析
論文名稱(外文):Preparation and Characterization of sPS/ MWCNT Nanocomposites
指導教授:邱方遒
指導教授(外文):F. C. Chiu
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:化工與材料工程研究所
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
論文頁數:104
中文關鍵詞:對位性聚苯乙烯多壁奈米碳管奈米複合材料物理性質
外文關鍵詞:syndiotactic polystyrenecarbon nanotubenanocompositephysical properties
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本研究利用熔融混鍊方式製備 sPS/ MWNT複合材料,期望以高分子包覆奈米碳管的方式增進奈米碳管於 sPS 中之分散性,其中利用兩種直徑不同的多壁奈米碳管進行以下的研究:
在 PLM實驗觀察熔融相形態發現,直徑較大的奈米碳管分散性較佳;在 FE-SEM 實驗觀察樣品破裂面相形態發現, sPS高分子鏈包覆於奈米碳管表面,且碳管分散性佳。此外,奈米碳管形成分散的網狀結構,使得數根碳管共同分擔應力。多壁奈米碳管在 sPS 中形成網狀結構的展透發端藉由量測樣品電阻與其熔融態流變性質來判斷;此外,在熔融態流變性質方面發現,摻入奈米碳管將使得樣品偏向彈性。 TGA實驗結果顯示,多壁奈米碳管的摻入,使得樣品的熱穩定性提升;但是不論碳管直徑或純度差異,對於熱穩定性的提升效率影響不大。 XRD實驗結果顯示,多壁奈米碳管的摻入使得 sPS晶體傾向生長成 -form,此結果與碳管長徑比、直徑及純度無關; PLM 及 DSC 實驗結果均顯示,碳管引發 sPS結晶時之異相成核的現象,且隨碳管含量的增加,成核點增加,而所形成之晶體尺寸分布愈寬廣,並且於冷結晶行為研究發現,摻入奈米碳管的樣品,其玻璃轉移溫度下降。
Composites of syndiotactic polystyrene (sPS) with muti-wall carbon nanotubes (MWNT) of different concertrations were prepared by melt-mixing process in a Haake polydrive mixer.
Two kinds of MWNT (C tube 015 and NCT tube) with different diameters served as the filler. Both of the electrical conductibity and melt rheology properties measurements were applied as sensitive methods to detect the formation of the MWNT network. TGA results showed the thermal stabilityof sPS increased with an increase of MWNT content. XRD results indicated that MWNT induced the -form crystal formation of sPS. DSC and PLM results showed the heterogeneous nucleation of sPS upon crystallization with the present of MWNT. In addition, cold crystallization results showed the decrease in glass trasition temperature of sPS with the inclusion of MWNT.
目錄
指導教授推薦書 i
口試委員會審定書 ii
授權書 iii
誌謝 iv
摘要 v
Abstract vii
表目錄 xi
圖目錄 xii
第一章 簡介 1
第二章 文獻回顧 2
2.1 奈米碳管 2
2.2 對位性聚苯乙烯(Syndiotactic Polystyrene, sPS) 3
2.2.1 晶體結構 3
2.2.2 多重熔融峰 4
2.3 高分子/ 多壁奈米碳管複合材料相關研究 5
2.4 Avrami方程式 11
第三章 實驗方法與材料 13
3.1 材料 13
3.2 儀器設備 14
3.3 實驗部分 16
3.3.1 實驗流程 16
3.3.2 樣品製備 16
3.4 性質分析 17
3.4.1 微差掃描熱卡計(DSC) 17
3.4.2 廣角X光繞射儀(XRD) 18
3.4.3 偏光顯微鏡(PLM) 18
3.4.4 場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM) 19
3.4.5 熱重分析儀(TGA) 19
3.4.6 流變儀(Rheometer) 19
3.4.7 電阻計(Resistance meter) 20
3.4.7 四點碳針(Four-point probe) 20
3.4.8 超音波震盪器(Sonicator) 20
第四章 結果與討論 21
4.1 靜置實驗 21
4.2 複材相形態 22
4.1.1 PLM分析 22
4.1.2 FE-SEM 分析 22
4.3 電學性質 24
4.4 流變性質 25
4.5 熱穩定性 26
4.6 晶體結構 27
4.6.1 XRD分析 27
4.6.2 PLM分析 28
4.7 結晶與熔融行為 29
4.7.1 冷結晶分析 29
4.7.2 非等溫熔融結晶分析 30
4.7.3 等溫熔融結晶分析 32
第五章 結論 35
第六章 參考文獻 37
附錄 41







表目錄
表 1 樣品配方一覽表 41
表 2 各樣品在空氣環境下之熱重損失溫度及殘餘量 42
表 3 各樣品在氮氣環境下之熱重損失溫度及殘餘量 43
表 4 各樣品於 290 °C熔融後再於 245 °C等溫結晶之 P 值 44
表 5 各樣品之玻璃轉移溫度 (Tg) 與冷結晶溫度 (Tc,c) 45
表 6 各樣品行冷結晶之熔融溫度 (Tm) 46
表 7 各樣品以不同降溫速率之結晶溫度(Tc,m)與結晶放熱值(ΔHc) 47
表 8 各樣品分別以10 ℃/min與40 ℃/min降溫後再以20 ℃/min升溫之熔融溫度(Tm1與Tm2) 48
表 9 各樣品於不同溫度行等溫結晶之 tpeak (min)值 49
表 10 各樣品於不同溫度行等溫結晶之熔點 (Tm) 50
表 11 各樣品於不同溫度行等溫結晶之Avrami方程式分析 n 值 51
表 12 各樣品於不同溫度行等溫結晶之Avrami方程式分析 lnk 值 52
表 13 Avrami指數n的物理意義 53




圖目錄
圖 1 sPS/ MWNTs 複合材料靜置實驗照片: (a) sPS/ C 0 hr ; (b) sPS/ NCT 0 hr ; (c) sPS/ C 1 hr ; (d) sPS/ NCT 1 hr ; (e) sPS/ C 2 hr ; (f) sPS/ NCT 2 hr ; (g) sPS/ C 3 hr ; (h) sPS/ NCT 50 hr ; (i) sPS/ C 50 hr 54
圖 2 各樣品熔融狀態之 PLM 照片: (a) C01 ; (b) C03 ; (c) C05 ; (d) C1 ; (e) C2 ; (f) C3 55
圖 3 各樣品熔融狀態之 PLM 照片: (a) C5 ; (b) N01 ; (c) N03 ; (d) N05 ; (e) N1 ; (f) N2 56
圖 4 各樣品熔融狀態之 PLM 照片: (a) N3 ; (b) N5 57
圖 5 各樣品破裂面之 FESEM 照片: (a)(b) sPS ; (c)(d) N01 ; (e)(f) N03 58
圖 6 各樣品破裂面之 FESEM 照片: (a)(b) N05 ; (c)(d) N1 ; (e)(f) N2 59
圖 7 各樣品破裂面之FESEM照片: (a)(b) N3 ; (c)(d) N5 ; (e)(f) C01 60
圖 8 各樣品破裂面之 FESEM 照片: (a)(b) C03 ; (c)(d) C05; (e)(f) C1 61
圖 9 各樣品破裂面之 FESEM 照片: (a)(b) C2 ; (c)(d) C3 ; (e)(f) C5 62
圖 10 各樣品之電阻對多壁奈米碳管含量作圖 63
圖 11 各樣品之: (a)(b) 儲存模數對形變量作圖 ; (c)(d) 儲存模數對角頻率作圖 ; (e)(f) 損失模數對角頻率作圖 64
圖 12 各樣品之: (a)(b) 複黏度對角頻率作圖 ; (c)(d) 儲存模數對損失模數作圖 ; (e)(f) 阻尼因數對角頻率作圖 65
圖 13 各樣品於空氣環境下之TGA圖: (a)(b) sPS/ C系列 ; (c)(d) sPS/ NCT系列 66
圖 14 各樣品於氮氣環境下之TGA圖: (a)(b) sPS/ C系列 ; (c)(d) sPS/ NCT系列 67
圖 15 多壁奈米碳管於不同氣體環境下行熱裂解之TGA圖: (a) 空氣中 ; (b) 氮氣中 68
圖 16 各樣品於不同處理條件下之 XRD 圖: (a)(b) 320 °C熔融後再以空氣快速降溫至室溫 ; (c)(d) 290 °C熔融後再快速降溫至245 °C等溫結晶 69
圖 17 各樣品於255 C 行等溫結晶之 PLM 照片: (a)(b) sPS ; (c)(d) C01 ; (e)(f) C03 70
圖 18 各樣品於255 C 行等溫結晶之 PLM 照片: (a)(b) C05 ; (c)(d) N01 ; (e)(f) N03 71
圖 19 各樣品於255 C 行等溫結晶之 PLM 照片: (a)(b) N05 72
圖 20 各樣品以液態氮冷卻後: (a)(b) 冷結晶及其熔融行為之DSC圖 ; (c)(d) 玻璃轉移溫度區段放大圖 73
圖 21 各樣品之不同降溫速率DSC圖: (a)(c) 40°C/min ; (b)(d) 10°C/min降溫 74
圖 22 各樣品之不同降溫速率降溫後再以20°C/min升溫之DSC圖: (a)(c) 40°C/min ; (b)(d) 10°C/min 75
圖 23 各樣品行等溫結晶之DSC圖: (a) sPS ; (b) C01 ; (c) C03 ; (d) C05 ; (e) C1 ; (f) C2 76
圖 24 各樣品行等溫結晶之DSC圖: (a) C3 ; (b) C5 ; (c) N01 ; (d) N03 ; (e) N05 ; (f) N1 77
圖 25 各樣品行等溫結晶之DSC圖: (a) N2 ; (b) N3 ; (c) N5 78
圖 26 各樣品在不同溫度行等溫結晶之tp-1對溫度作圖 79
圖 27 各樣品行等溫結晶之相對結晶度對時間作圖: (a) sPS ; (b) C01 ; (c) C03 ; (d) C05 ; (e) C1 ; (f) C2 80
圖 28 各樣品行等溫結晶之相對結晶度對時間作圖: (a) C3 ; (b) C5 ; (c) N01 ; (d) N03 ; (e) N05 ; (f) N1 81
圖 29 各樣品行等溫結晶之相對結晶度對時間作圖: (a) N2 ; (b) N3 ; (c) N5 82
圖 30 各樣品在不同等溫結晶溫度之 Avrami 方程式分析圖: (a) sPS ; (b) C01 ; (c) C03 ; (d) C05 ; (e) C1 ; (f) C2 83
圖 31 各樣品在不同等溫結晶溫度之 Avrami 方程式分析圖: (a) C3 ; (b) C5 ; (c) N01 ; (d) N03 ; (e) N05 ; (f) N1 84
圖 32 各樣品在不同等溫結晶溫度之 Avrami 方程式分析圖: (a) N2 ; (b) N3 ; (c) N5 85
圖 33 各樣品行等溫結晶後以20 °C/min升溫之DSC圖: (a) sPS ; (b) C01 ; (c) C03 ; (d) C05 ; (e) C1 ; (f) C2 86
圖 34 各樣品行等溫結晶後以20 °C/min升溫之DSC圖: (a) C3 ; (b) C5 ; (c) N01 ; (d) N03 ; (e) N05 ; (f) N1 87
圖 35 各樣品行等溫結晶後以20 °C/min升溫之DSC圖: (a) N2 ; (b) N3 ; (c) N5. 88
參考文獻

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