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硝酸乙铵离子液体中有序聚集体的形成、性质及应用探索

姜文清  
【摘要】: 论文研究了非离子和阴离子表面活性剂在室温离子液体硝酸乙铵(EAN)中的有序聚集体(胶束、溶致液晶和凝胶等)的形成、性质以及稳定分散碳纳米管的应用,并利用离子液体中形成的溶致液晶相组装了无机—有机杂化材料。全文共分五部分内容: 第一部分,简要总结了离子液体的结构、性质、制备和应用;介绍了表面活性剂溶液聚集体形成规律,并对表面活性剂在离子液体中的聚集行为进行了归纳总结;最后对碳纳米管的结构、性质、制备及应用进行了简单归纳。 第二部分,研究了长链烷基聚氧乙烯醚型表面活性剂C_(16)EO_6在室温离子液体硝酸乙铵(EAN)中形成的六方溶致液晶(LLC)相,并研究了该六方溶致液晶相对多壁碳纳米管(MWCNTs)的稳定分散。结果表明:MWCNTs均匀分散在离子液体中形成的溶致液晶相中,形成碳纳米管—溶致液晶复合物,MWCNTs的引入没有破坏六方溶致液晶相的有序聚集结构。随着MWCNTs加入量的增大,体系层间距逐渐增大,相转变温度也逐渐升高。这些结果表明MWCNTs进入到六方溶致液晶的基本组成单元中。红外和拉曼光谱测定结果则进一步证明了MWCNTs组装到溶致液晶中。流变学测定结果表明形成的复合物具有高粘弹性,而且随着MWCNTs加入,体系的表观粘度逐渐增大。组装的含碳纳米管六方溶致液晶样品的摩擦学性质测定表明,MWCNTs—LLC复合物是一类潜在的润滑材料,拓展了离子液体在润滑材料领域中的应用。 第三部分,研究了硝酸乙铵(EAN)中非离子表面活性剂(Tween-20,Tween-60和Tween-80)对碳纳米管(CNTs)的分散能力。结果表明:Tween表面活性剂在离子液体EAN中对CNTs具有很强的分散能力,高速离心也不能使分散在离子液体中的CNTs聚沉。表面张力测试结果证明Tween表面活性剂在EAN中形成了胶束,我们推测胶束的形成对CNTs的稳定分散起了重要的作用。拉曼光谱和紫外—可见—近红外吸收光谱测定结果都表明单壁碳纳米管(SWCNTs)均匀稳定分散在体系中。透射电镜结果则表明相互缠绕或聚集成束的碳纳米管被剥离开。 第四部分,研究了阴离子表面活性剂月桂酸钠在硝酸乙铵(EAN)中的聚集行为。结果表明:月桂酸钠和EAN之间通过化学反应,CH_3(CH_2)_(10)COONa+CH_3CH_2NH_3NO_3→CH_3CH_2NH_2↑+NaNO_3↓+CH_3(CH_2)_(10)COOH,形成了各向异性的离子凝胶。小角X射线散射(Small-angle X-ray Scattering,SAXS)测定进一步表明了体系具有层状结构,而且随着月桂酸钠浓度的升高,体系的层间距逐渐减小。X射线粉末衍射(X-ray Diffraction,XRD)测定则表明形成的凝胶是非晶态的,而没有月桂酸钠微晶存在。我们推测月桂酸钠和月桂酸分子之间的氢键作用以及它们和EAN之间的疏溶剂相互作用对凝胶三维网络结构的形成起了重要的作用。流变学性质的研究表明:所制备的离子凝胶具有粘弹性,而且对外界应力具有良好的抵抗能力。电化学性质的研究则表明体系具有高电导率、高电化学稳定性以及宽电化学窗口特点,因而在电化学器件制备方面具有潜在的应用价值。 第五部分,我们将Mn(Ⅱ)取代的聚氧金属酸盐,Na_6(NH_4)_4[(Mn~Ⅱ(H_2O)_3)_2(WO_2)_2(BiW_9O_(33))_2]·37H_2O([Mn_2Bi_2W_(20)]~(10-),POM-Mn),组装到C_(16)EO_6/EAN二组分体系形成的六方溶致液晶中,制备了聚氧金属酸盐—溶致液晶有机—无机杂化材料。结果表明POM-Mn引入后,体系仍保持六方溶致液晶的有序聚集结构。随着POM-Mn加入量的增大,体系层间距增大,相转变温度也逐渐升高,表明POM-Mn进入六方溶致液晶的基本组成单元中。红外光谱测定结果进一步证明POM-Mn组装到溶致液晶中。流变学测定结果则表明聚氧金属酸盐—溶致液晶杂化材料具有高粘弹性,而且随着POM-Mn的加入,体系的表观粘度逐渐增大。对体系的磁学性质测定表明这种杂化材料具有一定的铁磁性,因而在磁性材料领域具有潜在的应用价值。


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