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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:康緯賢
研究生(外文):Wei-Shian Kang
論文名稱:以溶膠-凝膠法製備聚對苯二甲酸丙二醇酯/奈米碳管複合材料之研究
論文名稱(外文):Study on the Preparation of poly(trimethylene terephthalate)/carbon nanotube composite by the sol-gel method
指導教授:廖心慈
指導教授(外文):Hsin-Tzu Liao
口試委員:陳鴻助黃國賢吳進三
口試日期:2012-06-26
學位類別:碩士
校院名稱:高苑科技大學
系所名稱:化工與生化工程研究所
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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:95
中文關鍵詞:聚對苯二甲酸丙二醇酯、二氧化矽、多壁奈米碳管、複合材料、抗靜電高分子
外文關鍵詞:poly (trimethylene terephthalate), silica, multi-walled carbon nanotubes, composite materials, antistatic polymer
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本論文主要是探討聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)奈米複合材之製備方法與特性鑑定。為提升PTT與二氧化矽-多壁奈米碳管(SiO2-MWCNTs-OH)間的相容性,利用馬來酸酐(MA)接枝於PTT(PTT-g-MA),以期能在PTT之側鏈接上酸酐基,並在混練時可與SiO2-MWCNTs-OH上之羥基相結合形成羧酸基。為掌握奈米複合材之基本性質,分別以霍式轉換紅外線光譜儀(FTIR)及13C核磁共振光譜儀(NMR)分析化學結構與鍵結關係;紫外線分析儀(UV)及穿透式電子顯微鏡(TEM)測量光學性質及表面現象;微差掃描熱卡計(DSC)、熱重損失分析儀(TGA)及偏光顯微鏡(POM)測試其熱性質及結晶行為;電阻測試器測得導電性質。
由實驗結果發現,PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH複材的物性均顯著優於PTT/SiO2-MWCNTs-OH複材:
(1)PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH提升了玻璃轉移溫度與結晶溫度。
(2)PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH之結晶熱(Hc)與晶核大小隨著SiO2-MWCNTs-OH含量的增加而變大。
(3)添加1 wt% SiO2-MWCNTs-OH可使PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH起始裂解溫度(Inition decomposition temperature, IDT)提升了28℃。
(4)隨著SiO2-MWCNTs-OH含量增加,PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH複材之導電度也隨之增加。
最後,吾人亦發現SiO2-MWCNTs-OH的最佳添加量為1 wt%,因過多SiO2-MWCNTs-OH會逐漸出現團聚現象並降低了複合材的相容性,進而影響其機械性質。

To enhance the mechanical and thermal properties of poly(trimethylene terephthalate) (PTT), the purpose of thisthesis focused on the preapaation and characterization of composite composed of PTT and silica-multi-walled carbon nanotubes (SiO2-MWCNTs-OH), by the sol-gel method . The PTT polymer was chemically modified by maleic anhydride (MA) to increase the compatibility between PTT-g-MA and SiO2-MWCNTs-OH by the ester fomation between the anhydride carboxyl groups of PTT-g-MA and hydroxyl groups inSiO2-MWCNTs-OH. All the results were based on the characterization and examination of fourier transform infrared spectroscopy (FTIR),13C nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), ultraviolet analyzer (UV), transmission electron microscopy (TEM), differential scanning calorimetry (DSC), thermal gravimetric analyzer (TGA) and polarized light microscopy (POM).
As the results, all the physical properties of PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH were superior to those of PTT/SiO2-MWCNTs-OH:
(1)the PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH composite increases the glass transition temperature (Tg) and the crystallization temperature (Tc) due tothe formation of anhydride carboxyl groups.
(2)the crystallizationheat (Hc) and nuclei size of PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH was increased with the increasing of SiO2-WCNTs-OH content.
(3)for the PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH, the initial decomposition temperature (IDT) was incresed about 28℃with 1 wt% addition of SiO2-MWCNTs-OH.
(4)as the SiO2-MWCNTs-OH content was increased, the conductivity of PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH also was also increased. This is due to thephenomenon that the multi-wall carbon nanotube itself has caused by the electrical conductivity.
Finally, based on the result of thermal and mechanical examinations, it was found that the optimal amount of SiO2-MWCNTs-OHwas 1wt% because excess SiO2-MWCNTs-OH caused separation of the organic and inorganic phases and lowering their compatibility.

總目錄
摘要 I
Abstract III
總目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 X
第一章前言 1
第二章文獻回顧 4
2.1 奈米複合材料介紹 4
2.1.1 奈米材料定義 4
2.1.2 奈米複合材料定義 5
2.1.3 奈米材料的基本性質 6
2. 2有機高分子-奈米無機複合材料介紹 8
2.3聚對苯二甲酸丙二醇酯之發展 9
2.4奈米碳管 11
2.4.1 奈米碳管起源與發展 11
2.4.2 奈米碳管之特性 13
2.4.3 奈米碳管之製備 14
2.4.3.1 催化劑的影響 14
2.4.3.2 奈米碳管之合成 16
2.4.4 奈米碳管應用之研究 21
2.5 溶膠-凝膠法反應 22
2.5.1溶膠-凝膠的製程原理與步驟 23
2.5.2水含量對於水解與溶膠-凝膠反應的影響 26
2.5.3 pH反應速率影響 27
2.5.4 溶劑比例的影響 29
2.6結晶相形態 30
2.7熱性質與結晶行為 32
2.8抗靜電材料簡介 33
2.8.1 抗靜電材料之發展 33
第三章藥品、儀器、方法 36
3.1實驗藥品 36
3.2實驗儀器 38
3.3 實驗流程 41
3.4 實驗反應機構 42
3.4.1聚對苯二甲酸丙二醇酯接枝丙烯酸的合成反應 42
3.4.2 多管壁奈米碳管的酸處理反應 42
3.4.3 PTT/SiO2-MWCNTs-OH複合材的聚合反應 42
3.5 實驗步驟 43
3.5.1 PTT-g-MA製備 43
3.5.2 PTT-g-MA純化 43
3.5.3 SiO2製備 43
3.5.4 MWCNTs-OH製備 44
3.5.4.1 多管壁奈米碳管(MWCNTs)之酸化 44
3.5.4.2 多管壁奈米碳管之氯化 44
3.5.4.3 將乙二醇接枝在多管壁奈米碳管上 44
3.5.5 SiO2-MWCNTs-OH製備 44
3.5.6 PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH製備 45
3.6 分析與鑑定 45
3.6.1 紅外線吸收光譜分析(FTIR) 45
3.6.2 固態-NMR成份分析 46
3.6.3分光光度計/雙光束紫外光分析(UV-VIS) 46
3.6.4 穿透式電子顯微鏡(TEM) 47
3.6.5 微差掃描熱分析(DSC) 47
3.6.6 偏光顯微鏡(POM) 48
3.6.7 熱重損失分析(TGA) 48
3.6.8 電阻值試驗 49
3.6.9 抗靜電試驗 49
第四章結果與討論 51
4.1 PTT/SiO2-MWCNTs-OH複合材之FTIR鑑定 51
4.2 PTT/SiO2-MWCNTs-OH複合材之NMR鑑定 55
4.3 PTT/SiO2-MWCNTs-OH複合材之分散性與UV-vis分析 57
4.4PTT/SiO2-MWCNTs-OH複合材之熱學性質分析與結晶行為 63
4.5 PTT/SiO2-MWCNTs-OH複合材之電性能分析 71
4.5.1電阻值測試 71
4.5.2抗靜電測試 74
第五章結論 76
參考文獻 78


圖目錄
圖1.1聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)的化學式 2
圖2.1 奈米複合材料構成示意圖 6
圖2.2 Sol-Gel反應不同酸鹼條件下particle大小 28
圖3.1 複合材料實驗流程圖 41
圖3.2 PTT-g-MA合成反應圖 42
圖3.3 奈米碳管酸化流程圖 42
圖3.4 複合材料聚合反應圖 42
圖4.1(A)MWCNTs、(B) MWCNTs-COOH與(C) MWCNTs-OH之FTIR光譜圖。 53
圖4.2 (A)PTT、(B)PTT-g-MA、(C)PTT/SiO2-MWCNTs-OH與(D)PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH之FTIR光譜圖。 54
圖4.3(A)PTT、(B)PTT-g-MA、(C)PTT/SiO2-MWCNTs-OH與(D) PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH之13C及29Si NMR譜圖。 56
圖4.4 (A) MWCNTs、(B) MWCNTs-OH與(C)PTT-g-MA/MWCNTs-OH 在water/CF3COOD/CDCl3 (80v/20v)溶液中分散的情形。 58
圖4.5 (A)MWCNTs-OH、(B)PTT/MWCNTs-OH(1 wt%)、(C)PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH(1 wt%)與(D) PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH(2 wt%)在CF3COOD/CDCl3 (80v/20v)溶液中50分鐘的吸收光譜圖。 60
圖4.6(A)PTT-g-MA/MWCNTs-OH(1wt%)、(B) PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH(1 wt%)與(C) PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH(2 wt%)在CF3COOD/CDCl3 (80v/20v)溶液中TEM的表面型態圖。 62
圖4.7 (A)PTT/SiO2-MWCNTs-OH複合材之DSC熱學性質分析圖與(B)結晶行為圖。 64
圖4.8 PTT/SiO2-MWCNTs-OH複合材於不同溫度下之結晶行為變化情形。 66
圖4.9 (A)MWCNTs-OH、(B)PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH(2.0 wt%)、(C)PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH(1.0 wt%)、(D) PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-O(0.5 wt%)、(E)PTT-g-MA/SiO2及(F)PTT之TGA熱重損失分析圖。 69
圖4.10添加不同MWCNTs-OH含量下PTT/SiO2-MWCNTs-OH複合材和PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH導電度測定結果: (A) SiO2-MWCNTs-OH(0 wt%)、(B) SiO2-MWCNTs-OH(0.5 wt%)、(C) SiO2-MWCNTs-OH(1.0 wt%)、(D) SiO2-MWCNTs-OH(2.0 wt%) 73
圖4.11複合材抗靜電測定結果:(A) PTT、(B) PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH(0.5 wt%)、(C) PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH(1.0 wt%)、(D) PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH (2.0 wt%)。 75

表目錄
表2.1 奈米材料相關分類 5
表2.2微粒粒子的物性/特性隨粒徑減少的變化 7
表2.3有機與無機材料兩者物性比較 9
表 2.4反應常用的典型溶劑的物理特性 30
表4.1 PTT/SiO2-MWCNTs-OH複合材與PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH複合材之熱性質分析。 65
表4.2PTT/SiO2-MWCNTs-OH複合材與PTT-g-MA/SiO2-MWCNTs-OH複合材之裂解溫度及殘留率分析 70



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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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