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理论与研究 杨高峰·高密度聚乙烯 / 碳纳米管复合材料的力学性能研究
物熔融热与其结晶度成正比，结晶度越高，熔融热越 表 6 DSC 性能测试总结表
.
-1
大 [19] 。如果已知某聚合物百分之百结晶时的熔融热为 组号 T m /℃ T c /℃ ΔH f /(J g ) X c
PE 134.1 114.2 183.5 0.68
ΔH f *，那么部分结晶聚合物的结晶度 X c 可按下式计 PE-CNTs0.1% 133.8 116.3 153.5 0.58
PE-CNTs0.3% 133.3 117.0 155.4 0.57
算：
PE-CNTs0.5% 132.9 117.4 132.4 0.49
ΔH f
X c = ΔH f * PE-CNTs0.7% 133.4 117.5 143.3 0.54
134.4
PE-CNTs0.9%
116.7
0.53
141.9
式中 ： X c 为结晶度 ；ΔH f 是试样的熔融热 ；
图 1，图 2 为聚乙烯碳纳米管纳米复合材料的
ΔH f * 为该聚合物结晶度达到 100% 时的熔融热。通
DSC 分析曲线，其中熔融曲线的峰值表示 T m ，结晶曲
[5]
过查阅文献，可知高密度聚乙烯的 ΔH f * ＝ 270.028 J/g 。
线的峰值表示 T c ，线下面积表示 ΔH f 。表 6 中列出了
则必须提出，在进行质料 DSC 测定时，影响
出各种不同配比材料的结晶温度和熔融温度。可以看
DSC 曲线形成的因素有很多，除了聚合物的组成和结
出纯聚乙烯的 X c 是所有材料中最高的，这是由于其他
构外，还有晶格上的问题，比如缺陷、结晶变态共存、
材料中都加入碳纳米管，CNT 使得聚合物分子间作用
不同分子结晶的共存、过热、热分解、氧化、吸湿以
力降低，降低了聚合物的结晶度，因而使得聚合物的
及热处理、力学作用等。我们选择第二种方法求得高
ΔH f 下降。同时可以看出碳纳米管的加入使得聚合物
密度聚乙烯的 ΔH f *，代入上述结晶度计算公式。图 1，
的 T m 有所下降，且随着碳纳米管含量的增加，T m 呈
图 2 是通过 DSC 测试试验后，通过 Origin Pro 8.0 绘
先下降后上升的趋势，这说明少量碳纳米管的加入，
制出的熔融曲线和结晶曲线。
纳米 CNT 在 HDPE 形成混合较均匀的分散结构，碳
纳米管和基体之间的强大的附着力影响了分子间作用
力，在一定程度上降低了聚合物的结晶度。
聚 乙 烯 碳 纳 米 管 纳 米 复 合 材 料 的 T c 值 也 呈 现 类
似的情况，纯 PE 的结晶温度要低于所有的复合材料，
这是由于加入碳纳米管纳米材料引起的。随着碳纳米
管的加入 T c 呈现上升趋势，最后的 0.9% 的配比又一
次降低，这是因为碳纳米管和高密度聚乙烯形成了结
构较为紧密的纳米结构，同时碳纳米管的熔融温度较
高，因此随着碳纳米管含量的增加，复合材料的 T c 值
图 1 熔融曲线 逐渐上升。
2.2 PE-CNTs 复合材料 SEM 谱图
图 3~8 分别为碳纳米管含量为 0，0.1%，0.3%，
0.5%，0.7%，0.9% 的高密度聚乙烯的 500 倍率下的
拉伸断面图，图 9~13 分别为碳纳米管含量为 0.1%，
0.3%，0.5%，0.7%，0.9% 的高密度聚乙烯的 2 000
倍率下的拉伸断面图，通过 SEM 观察到的。考虑到碳
纳米管本身的纳米数量级，样片本身的厚度浇薄，选
取的图片均为 500 和 2 000 倍下的断面形态。我们可
以很明显的看出断面的粗糙程度不同，纯的 PE 材料断
面比较规整，加入 0.1% 碳纳米管的材料断面略显粗糙，
图 2 结晶曲线 但材料混合依然很均匀，说明碳纳米管和 HDPE 的相
通过对图 1，图 2 的分析，我们可以很直观的看出 容性很好。碳纳米管的加入使得材料的断面变得粗糙，
熔融温度（T m ）结晶温度（T c ）熔融热晗（ΔH f )，以及 在碳纳米管含量为 1% 时影响并不明显，碳纳米管含
通过计算的方式得到结晶度（X c )，归结为表 7 如下。 量在 0.3% 以上时变得特别明显，含量为 0.3% 时，材
年
2019 第 45 卷 ·3·
