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纳米碳管的化学改性以及与高分子的复合

徐敏  
【摘要】: 纳米碳管是近十几年来材料领域的研究热点之一,它是一种新的碳的形式,接近理想的单晶纤维,由圆柱面六边形晶体结构的折叠碳层组成。也可以看作是以六员环排列的碳原子形成的薄片卷曲形成的管状结构物质,管的内径在几纳米到几十纳米之间,长度可达微米量级,是理想的准一维材料。这种管状物的末端可以是开放的,也可以由类似半个C_(60)分子的结构封端。根据碳管的结构可分为单壁碳管和多壁碳管。 纳米碳管具有超高的机械强度,是所有已知材料中刚度最高的材料之一。此外还具有耐热、耐腐蚀、耐热冲击、传热和导电性能好、高温强度高、有自润滑性和生物相容性等一系列综合性能。因此碳管在很多领域有潜在的应用价值,尤其是碳管的刚性和高强度使它可以成为高强材料的增强剂。因此受到了理论界和应用界的广泛关注。 但到目前为止,对纳米碳管的研究还有许多难点。其中一个主要难点就是纳米碳管到目前为止没有找到任何溶剂,使得对碳管进行分子级别的化学性能研究困难重重。对纳米碳管结构的理论研究还未成熟,各种功能化研究还处于起步阶段,距离工业上的应用更是遥远。 在查阅大量资料的基础上,我们针对该领域的几个问题进行了研究。本论文的主要工作包括以下几个方面: 1.多壁碳管氧化条件的优化 由于用不同条件合成的纳米碳管在性质上有很大差异,而目前尚未有对氧化条件的系统研究,因此我们首先在纳米碳管进行化学改性的第一步骤----氧化条件上进行了优化。通过调制不同的氧化时间,利用透射电镜技术观察纳米碳管氧化后的形貌,利用电阻测定和核磁共振宽线氢谱手段来表征碳管氧化后的结构变化,通过综合考虑各种因素,我们将本批次的纳米碳管的氧化条件定为:混合酸 叠 华东师范大学博士后止站报告 氧化,超声时间,2小时。 2.十八胺改性多壁碳管的合成、表征与性质研究 合成了一系列十八胺接枝多壁碳管(MWNT一OOA),用傅立叶红外光谱 (FTIR)、透射电镜汀EM)、差示扫描量热计(OSC)、X射线衍射(XRD)以及固体 高分辨核磁共振等技术对其结构进行了充分的表征。 结果表明:接枝在MWN丁表面的OOA链并不是均匀分布的,而是在某些 缺陷位置集中生长,从而能够形成结晶;发展了一个基于13C OD/MAs NMR技 术的方法,定量测量了MWN丁一OOA样品中OOA重量百分含量,这一方法同样 适用于其他的改性碳管体系;当OOA重量百分含量达到28%时,MWN丁一OOA 样品既可完全溶解。 3.聚乙二醇接枝纳米碳管及与甲基丙烯酸甲酷的共聚 选用一端轻基一端双键的低分子量的聚乙二醇与碳管进行加成反应,得到了 能够同时溶于有机溶剂和水的可溶碳管,同时还保持了一定反应活性。然后,用 这种可溶碳管与甲基丙烯酸甲酷进行共聚,得到了均匀透明稳定的共聚材料,并 对材料的各种性质进行了研究。 固体高分辨核磁共振研究表明,与接枝在MWNT表面的OOA分子不同, 接枝在MWN丁表面的尸EO分子是非晶的,这是由于PEO分子中醚氧原子上的 孤对电子,能与碳管的大Tr键产生n一甘相互作用,使PEO分子与碳管相互接近, 平躺或缠绕在MWNT表面,因而限制了PEO分子的结晶。 PEO接枝MWN丁(MWNTI尸EO)与PEO的复合膜具有电阻的气体敏感性, 溶剂蒸汽的存在会使复合膜的电阻降低,这一点与其它碳材料的高分子复合物正 好相反。 合成了MWNTI尸EO与MMA的共聚产物,机械性能的研究表明MWNT/尸EO 对尸MMA有增韧作用。 4.含有纳米碳管的聚氨酷的合成、表征及性质研究 首先通过典型的两步法合成了软段为pTMO(Poly(tetramethyrene oxide)), 叠 年东师范大李博士后么站银告 硬段为MD!(4,4’一diPhenylmethane diisocyanate),扩链剂为AEAPS (aminoethylaminoProPyltrimethoxysilane)的聚氨醋。然后我们首次将纳米碳管 与偶联剂APES(amjnoProPyltrimethoXysilane)进行加成,得到了溶于DMF的 可溶碳管(MWN丁IAPES),利用MWN丁IApES将碳管与聚氨酷用化学键连接 起来,合成了含有MWN下的聚氨酷。 研究证明,MWN丁与聚氨醋基体的相容性强烈的影响着复合膜的各种性能。 当MWN丁与聚氨酷的相容性较好时,MWN丁的引入不仅使聚氨酷的弹性模量大 幅度提高:0.5%的MWNT就可以使聚氨酷的弹性模量提高400%,同时伸长率 降低有限,拉伸强度基本保持不变或稍有提高。说明MWN丁实现了对高分子的 同时增强和增韧。 复合膜在水中的溶胀比随MWNT/A PES含量的增加而增加;在 OMF中的 溶胀比则随MWNTIAPES含量的增加而降低。在水中的反常现象是由于我们应 用了APES这样的硅氧烷偶联剂,由于硅氧烷是亲水的,所以随着APES含量 的增加,样品中的硅氧键逐渐增加,故而能够结合更多的水。本文中得到的复合 膜具有较高强度,具有一定的实用价值。


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