摘要
环氧树脂及其衍生物和复合材料由于具有优异的比强度，在汽车、飞机、结构粘接、保护涂层、水过滤等领域的许多潜在应用中是优选材料。作为汽车和飞机中的结构构件，环氧基部件在其使用寿命期间暴露于各种静态/动态机械载荷条件。基体和增强体之间的界面相互作用极大地影响了复合材料的最终性能。本研究表明，用于制备复合材料的溶剂也有助于界面相互作用。本研究系统地找到了适合双酚A（BPA）环氧树脂纳米复合材料的溶剂（丙酮）和增强型多壁碳纳米管（CNT），并仔细研究了所制备的环氧-碳纳米管纳米复合材料的动态和静态强度。
理论计算
作者进行了密度泛函理论（使用QuantumATK软件）模拟，以研究和确定CNT在与丙酮分子和环氧树脂基体的界面相互作用过程中原子形态的变化。计算预测，与原始CNT相比，具有轻微缺陷的CNT更适合于纳米复合材料的合成，并且也有助于CNT在BPA中的均匀分布而不聚集（以丙酮为溶剂）。此外，还详细研究了BPA和固化剂处理后碳纳米管的结构变化以及缺陷的作用。下图是DFT研究的示意图，从原始CNT（a）开始，产生单空位缺陷（b），然后加入丙酮（c），并评估丙酮官能化的CNT（a-CNTs）（d）和BPA（e）之间的相互作用，最终将非共价连接的BPA提供给a-CNTs（f）。
下图为A-CNTs的前视图和侧视图（A，b），由丙酮官能化在前方向和侧方向上引起的键长变化（c，d），连接在A-CNTs上的BPA的前视图或侧视图（e，f），以及ECD的图谱（g）。
实验验证
在恒定的磁力搅拌条件下，将在丙酮中充分分散的CNT与BPA的酯混合。使用纳米压痕技术制备了片剂形状的样品，用于测试复合材料的静态和动态性能。观察到BPA−CNT复合材料的静态弹性模量和硬度分别显著提高了55%和22%（与原始BPA相比）。纳米复合材料的储能模量和tandelta也分别提高了14%和46%。本工作中报道的静态和动态性能的改善，显著提高了BPA−CNT基纳米复合材料在严重静态和动态负载条件下的利用范围。碳纳米管增强环氧树脂的静态和动态分析为纳米复合材料的机械性能提供了更现实的理解。
参考
- Suneev Anil Bansal, Amrinder Pal Singh, Sukhbir Singh, and Suresh Kumar. Bisphenol-A-Carbon Nanotube Nanocomposite: Interfacial DFT Prediction and Experimental Strength Testing. Langmuir 2023 39 (3), 1051-1060. DOI: 10.1021/acs.langmuir.2c02723