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研究生:賴俊宇
研究生(外文):Chun-Yu Lai
論文名稱:官能基化多壁奈米碳管複合材料機械性質分析
論文名稱(外文):Mechanical properties of functionalized MWCNT nanocomposites
指導教授:何旭川
學位類別:碩士
校院名稱:元智大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:94
中文關鍵詞:多壁奈米碳管環氧樹脂機械性質熱性質
外文關鍵詞:multi-walled carbon nanotubefunctionalizationmechanical propertythermal property
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奈米碳管具備許多優異的機械性質,如高強度、高韌性及高熱傳導率,添加於高分子材料可提昇該材料各項機械性質;若進一步將奈米碳管官能基化,使之表面帶上特殊官能基,則更能增加奈米碳管在高分子材料中的分散性。本文以熱固性高分子材料環氧樹脂為基材,分別於基材中添加未改質與羧酸化兩種奈米碳管,當添加至重量百分比1%時,以拉伸試驗得材料之楊氏係數分別增加35.8%與39.4%。以振動試驗所得之材料剛性亦隨著奈米碳管的含量增加而遞增。利用熱重分析儀與示差掃描熱量分析儀,量測得奈米複合材料之熱裂解溫度與玻璃轉化溫度,由於奈米碳管表面未與基材產生有效的交聯作用,以及基材可能已完全固化,並未如預期能提高奈米複合材料之熱穩定性。但種種實驗結果顯示添加官能基化奈米碳管在基材中具有較佳的分散性,並有效改善基材之機械性質。

Carbon nanotubes (CNT) are well known for their excellent mechanical, electrical and thermal properties. CNTs are considered as excellent reinforcement for polymers. The effect of functionalized multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) on the mechanical and thermal properties of epoxy based nanocomposites was investigated. Modification of MWCNTs was done in a 3:1 H2SO4/HNO3 solution. Chemical functionalzation of MWCNTs by oxidation (MWCNT-COOH) was conformed by Fourier-transform infrared spectrometer (FT-IR). The epoxy based nanocomposites reinforced with MWCNTs with and without functionalization were prepared. The properties of nanocomposites were characterized using the scanning electronic microscopy (SEM), tensile test, free vibration test, thermal gravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimeter (DSC). Compared to the neat epoxy, nanocomposites prepared with 1 wt.% of MWCNT-COOH and MWCNT showed 39.4% and 35.8% increase in Young’ modulus, respectively. A decrease in both the fracture strain and damping ratio was observed for MWCNT-COOH and MWCNT nanocomposites. However, both the thermal decomposition temperature Td and glass transition temperature Tg of the epoxy system were not affected by the addition of MWCNT or MWCNT-COOH.

書名頁 i
中文摘要 ii
英文摘要 iii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 viii
一、緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 3
1.3 文獻回顧 3
1.4 研究內容 6
二、奈米複合材料試片製作 8
2.1 實驗設備 8
2.2 奈米碳管 11
2.2.1 奈米碳管官能基化 11
2.2.2 奈米碳管羧酸化 11
2.2.3 奈米碳管顯微影像 12
2.2.4 霍氏轉換紅外光譜儀分析 13
2.3 奈米碳管/環氧樹脂複合材料 14
2.3.1 基材 15
2.3.2 奈米碳管/環氧樹脂複合材料的製作 16
三、奈米複合材料機械性質檢測 18
3.1 拉伸試驗 18
3.1.1 實驗設備 18
3.1.2 實驗理論與方法 19
3.1.3 拉伸測試結果討論 23
3.1.4 破壞斷面顯微結構 24
3.2 振動試驗 25
3.2.1 實驗設備 25
3.2.2 實驗理論與方法 26
3.2.3 振動測試結果討論 28
四、奈米複合材料熱性質分析 31
4.1 熱重分析 31
4.1.1 實驗設備 32
4.1.2 實驗理論與方法 32
4.1.3 熱重分析結果討論 33
4.2 示差掃描熱量分析 34
4.2.1 實驗設備 34
4.2.2 實驗理論與方法 35
4.2.3 示差掃描熱量分析結果討論 37
五、結論 39
參考文獻 40
簡歷 94


























表目錄
表2.1 多壁奈米碳管的規格 (Golden Innovation Business Co., LTD.) 44
表3.1 環氧樹脂未添加奈米碳管之拉伸試驗所得材料性質 44
表3.2 環氧樹脂添加未改質奈米碳管0.3 wt.%拉伸試驗所得材料性質 44
表3.3 環氧樹脂添加未改質奈米碳管0.5 wt.%拉伸試驗所得材料性質 45
表3.4 環氧樹脂添加未改質奈米碳管0.8 wt.%拉伸試驗所得材料性質 45
表3.5 環氧樹脂添加未改質奈米碳管1 wt.%拉伸試驗所得材料性質 45
表3.6 環氧樹脂添加羧酸化奈米碳管0.3 wt.%拉伸試驗所得材料性質 46
表3.7 環氧樹脂添加羧酸化奈米碳管0.5 wt.%拉伸試驗所得材料性質 46
表3.8 環氧樹脂添加羧酸化奈米碳管0.8 wt.%拉伸試驗所得材料性質 46
表3.9 環氧樹脂添加羧酸化奈米碳管1 wt.%拉伸試驗所得材料性質 47
表3.10 環氧樹脂添加未改質/羧酸化奈米碳管0.3 wt.%之拉伸試驗所得材料性質 47
表3.11 環氧樹脂添加未改質/羧酸化奈米碳管0.5 wt.%之拉伸試驗所得材料性質 47
表3.12 環氧樹脂添加未改質/羧酸化奈米碳管0.8 wt.%之拉伸試驗所得材料性質 48
表3.13 環氧樹脂添加未改質/羧酸化奈米碳管1 wt.%之拉伸試驗所得材料性質 48
表3.14 環氧樹脂添加未改質奈米碳管不同重量百分比之拉伸試驗所得材料性質增加量% 48
表3.15 環氧樹脂添加羧酸化奈米碳管不同重量百分比之拉伸試驗所得材料性質增加量% 49
表3.16 振動試驗懸臂樑試片尺寸及材料性質 49
表3.17 環氧樹脂添加未改質/羧酸化奈米碳管不同重量百分比所得阻尼衰減係數D、自然頻率?n及阻尼比? 50
表3.18 環氧樹脂添加未改質/羧酸化奈米碳管不同重量百分比所得阻尼衰減係數D之比較 51
表3.19 環氧樹脂添加未改質/羧酸化奈米碳管不同重量百分比所得自然頻率?n之比較 51
表3.20 環氧樹脂添加未改質/羧酸化奈米碳管不同重量百分比所得阻尼比?之比較 51
表3.21 環氧樹脂添加未改質/羧酸化奈米碳管不同重量百分比經公式計算所得楊氏係數之比較 52
表3.22 環氧樹脂添加未改質奈米碳管不同重量百分比經拉伸試驗與振動試驗所得楊氏係數之比較 52
表3.23 環氧樹脂添加羧酸化奈米碳管不同重量百分比經拉伸試驗與振動試驗所得楊氏係數之比較 52
表4.1 環氧樹脂添加未改質奈米碳管熱重分析所得熱裂解溫度 53
表4.2 環氧樹脂添加羧酸化奈米碳管熱重分析所得熱裂解溫度 53
表4.3 環氧樹脂添加未改質/羧酸化奈米碳管熱重分析所得熱裂解溫度 53
表4.4 環氧樹脂添加未改質奈米碳管示差掃描熱量分析所得玻璃轉化溫度 54
表4.5 環氧樹脂添加羧酸化奈米碳管示差掃描熱量分析所得玻璃轉化溫度 54
表4.6 環氧樹脂添加未改質/羧酸化奈米碳管示差掃描熱量分析所得玻璃轉化溫度 54


































圖目錄
圖2.1 超音波震動機 55
圖2.2 真空烘箱 55
圖2.3 真空攪拌機 56
圖2.4 平面磨床 56
圖2.5 場發射電子顯微鏡(JEOL, JSM-6330F,清華大學貴重儀器中心) 57
圖2.6 霍氏轉換紅外光譜儀(Bomem DA8.3,清華大學貴重儀器中心) 57
圖2.7 Golden Innovation Business Co., LTD. 多壁奈米碳管 58
圖2.8 奈米碳管羧酸化流程圖 59
圖2.9 奈米碳管經超音波震盪6小時分散於乙醇中 60
圖2.10 奈米碳管經超音波震盪後靜置30天分散情形 60
圖2.11 場發射電子顯微鏡觀察未改質奈米碳管 61
圖2.12 場發射電子顯微鏡觀察羧酸化奈米碳管 61
圖2.13 未改質奈米碳管之霍氏轉換紅外光譜儀分析圖譜 62
圖2.14 羧酸化奈米碳管之霍氏轉換紅外光譜儀分析圖譜 62
圖2.15 製作試片之壓克力模具 63
圖2.16 環氧樹脂6620與固化劑AH150(GIULOO EPOXY RESIN) 63
圖2.17 試片製作流程圖 64
圖3.1 微拉力機 65
圖3.2 拉伸試驗架設圖 65
圖3.3 荷重-伸長曲線圖 66
圖3.4 應力-應變曲線圖 (a)具有明顯降伏強度 (b)不具明顯降伏強度 66
圖3.5 拉伸試驗試片尺寸 (mm) 67
圖3.6 拉伸試驗試片 67
圖3.7 環氧樹脂添加未改質奈米碳管不同重量百分比 68
拉伸試驗應力-應變關係圖 68
圖3.8 環氧樹脂添加羧酸化奈米碳管不同重量百分比 68
拉伸試驗應力-應變關係圖 68
圖3.9 添加未改質/羧酸化奈米碳管於環氧樹脂不同重量百分比 69
經拉伸試驗所得楊氏係數之比較 69
圖3.10(a) 環氧樹脂破壞斷面之SEM顯微結構 70
圖3.10(b) 環氧樹脂破壞斷面之SEM顯微結構 70
圖3.11(a) 含未改質奈米碳管複合材料破壞斷面之SEM顯微結構 71
圖3.11(b) 含未改質奈米碳管複合材料破壞斷面之SEM顯微結構 71
圖3.12(a) 含羧酸化奈米碳管複合材料破壞斷面之SEM顯微結構 72
圖3.12(b) 含羧酸化奈米碳管複合材料破壞斷面之SEM顯微結構 72
圖3.13 SigLab動態訊號分析儀(型號-Model 20-42) 73
圖3.14 懸臂樑試片及尺寸 (mm) 73
圖3.15 加速度規固定於懸臂樑試片 74
圖3.16 振動試驗之架設 74
圖3.17 含阻尼單自由度系統之自由振動位移響應 75
圖3.18 純環氧樹脂未加奈米碳管之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度響應 75
圖3.19 純環氧樹脂未加奈米碳管之懸臂樑試片自由振動所得頻譜響應 76
圖3.20 純環氧樹脂未加奈米碳管之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度衰減曲線 76
圖3.21 含未改質奈米碳管0.3 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度響應 77
圖3.22 含未改質奈米碳管0.3 wt.%之懸臂樑試片自由振動所得頻譜響應 77
圖3.23 含未改質奈米碳管0.3 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度衰減曲線 78
圖3.24 含未改質奈米碳管0.5 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度響應 78
圖3.25 含未改質奈米碳管0.5 wt.%之懸臂樑試片自由振動所得頻譜響應 79
圖3.26 含未改質奈米碳管0.5 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度衰減曲線 79
圖3.27 含未改質奈米碳管0.8 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度響應 80
圖3.28 含未改質奈米碳管0.8 wt.%之懸臂樑試片自由振動所得頻譜響應 80
圖3.29 含未改質奈米碳管0.8 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度衰減曲線 81
圖3.30 含未改質奈米碳管1 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度響應 81
圖3.31 含未改質奈米碳管1 wt.%之懸臂樑試片自由振動所得頻譜響應 82
圖3.32 含未改質奈米碳管1 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度衰減曲線 82
圖3.33 含羧酸化奈米碳管0.3 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度響應 83
圖3.34 含羧酸化奈米碳管0.3 wt.%之懸臂樑試片自由振動所得頻譜響應 83
圖3.35 含羧酸化奈米碳管0.3 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度衰減曲線 84
圖3.36 含羧酸化奈米碳管0.5 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度響應 84
圖3.37 含羧酸化奈米碳管0.5 wt.%之懸臂樑試片自由振動所得頻譜響應 85
圖3.38 含羧酸化奈米碳管0.5 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度衰減曲線 85
圖3.39 含羧酸化奈米碳管0.8 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度響應 86
圖3.40 含羧酸化奈米碳管0.8 wt.%之懸臂樑試片自由振動所得頻譜響應 86
圖3.41 含羧酸化奈米碳管0.8 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度衰減曲線 87
圖3.42 含羧酸化奈米碳管1 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度響應 87
圖3.43 含羧酸化奈米碳管1 wt.%之懸臂樑試片自由振動所得頻譜響應 88
圖3.44 含羧酸化奈米碳管1 wt.%之懸臂樑試片自由振動量測所得加速度衰減曲線 88
圖4.1 熱重分析儀(TA Instruments Q500 TGA) 89
圖4.2 熱重分析法 (a)等溫熱重法 (b)似等溫熱重法 (c)動態熱重法 89
圖4.3 環氧樹脂添加未改質奈米碳管之熱重曲線圖 90
圖4.4 環氧樹脂添加羧酸化奈米碳管之熱重曲線圖 90
圖4.5 環氧樹脂添加未改質奈米碳管之熱重曲線一次微分圖 91
圖4.6 環氧樹脂添加羧酸化奈米碳管之熱重曲線一次微分圖 91
圖4.7 示差掃描熱量分析儀(METTLER TOLEDO DSC 1) 92
圖4.8 DSC試片壓片機 92
圖4.9 環氧樹脂添加未改質奈米碳管之示差掃描熱量分析曲線圖 93
圖4.10 環氧樹脂添加羧酸化奈米碳管之示差掃描熱量分析曲線圖 93



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