碳纳米管的高分子修饰及其性能

【摘要】：碳纳米管(CNTs)自问世以来,以其独特的物理结构,优异的机械力学性能和广阔的应用前景受到人们的广泛关注,但因为它不溶解不熔融而不易加工,同时作为一种纳米材料极易发生团聚,使其进一步开发与应用受到很大的限制。从结构上来看,由sp~2碳原子组成的CNTs 可以被视为线性富勒烯分子,每个碳原子的一个垂直于骨架平面的p 轨道形成高度离域化的大π键,能与含有π电子的化合物通过π-π非共价键作用相结合,得到化学修饰的CNTs。 本文采用分子设计的方法,利用大分子的官能团反应制备聚乙二醇/碳纳米管(PEG/CNTs)和光敏性环氧丙烯酸酯/碳纳米管(EA/CNTs);通过紫外光和热引发自由基聚合制备聚丙烯酰胺/碳纳米管(PAM/CNTs),聚乙烯醇/碳纳米管(PVA/CNTs),聚苯乙烯/碳纳米管(PSt/CNTs),反式聚异戊二烯/碳纳米管(TPI/CNTs)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/碳纳米管(ABS/CNTs),七种CNTs 高分子衍生物。 采用红外光谱(FTIR)、紫外-可见光光谱(UV-vis)和荧光发射光谱(Fluorescence)等对CNTs 高分子衍生物进行了结构表征,证明利用高分子反应方法可以实现对CNTs 的高分子修饰;透射电子显微镜(TEM)分析了CNTs 高分子衍生物在溶液中的形貌,除乳液聚合制备的PSt/CNTs 的微观形貌为小于100nm 的微球连接数百纳米长的微管,其它CNTs 高分子衍生物均为聚合物包裹在CNTs 外部,在管端头有较多聚合物聚集。PEG/CNTs、PAM/CNTs、PVA/CNTs 及PSt/CNTs 四种CNTs 高分子衍生物可方便的分散于水中,这一方面得到了可溶性CNTs,为化学工作者进一步深入研究CNTs 打开方便之门,另一方面可得到具有特定功能的CNTs 高分子衍生物,使其成为名副其实的最有前途的材料。 采用四球摩擦试验机分别对PEG/CNTs、PAM/CNTs、PVA/CNTs 水溶液和PSt/CNTs 乳液及水溶性减磨剂壬基酚聚氧乙烯醚磷酸锌(OPZ)与CNTs 高分子衍生物的复合液,用作水基润滑液的摩擦学行为进行了研究。 PEG/CNTs 和PAM/CNTs 的添加量分别在0.5%和0.3%时,对应最小磨斑直径D_(30)~(200)为0.68mm 和0.62mm;PVA/CNTs 水溶液和PSt/CNTs 乳液与OPZ 润滑添加剂复配后,两种添加剂的添加量分别在0.25%和1.0%时,对应最小磨斑直径D_(30)~(400)为0.38mm 和0.36mm,最大极压值分别为610N 和680N,显示了较好的减磨效果和润滑性能;润滑液的极压性能与CNTs 高分子衍生物的添加量有直接关系,浓度过大时,