碳纳米管的有机共价修饰及其性能研究

【摘要】： 碳纳米管(CNT)具有优良的力学、电学、热学性能,在理论研究和实际应用方面引起了广泛的关注。为拓展CNT的应用范围,对CNT进行功能化是十分必要的。本论文主要采用有机共价键修饰在多壁碳纳米管(MWNT)上接枝水溶性的聚合物聚乙二醇(PEG),并利用得到的带有官能团的MWNT作为载体或者模板来构建功能化的纳米杂化材料,主要工作如下： 1.利用酸化的MWNT在二环己基碳二亚胺／4-二甲氨基吡啶(DCC/DMAP)存在的条件下,同PEG发生酯化反应得到了PEG功能化的碳纳米管(MWNT-g-PEG)。利用PEG与α-环糊精(α-CD)之间的包合作用,首次制备了MWNT-g-PEG/a-CD超分子杂化纳米凝胶。通过X射线衍射、核磁、差示扫描量热法、热失重、流变等测试手段对得到的包合物进行了表征。结果表明,由于MWNT的阻碍作用,包合物中EG：α-CD的单元比大于理论值2：1；研究还表明,MWNT-g-PEG/a-CD杂化凝胶的形成取决于两个条件：1)MWNT上的PEG具有足够高的接枝密度,2)PEG链具有足够的长度。流变学特性分析表明,MWNT-g-PEG/a-CD杂化凝胶的强度远远大于PEG/a-CD凝胶的强度,分析原因是在凝胶的形成过程中,MWNT由于强烈的疏水作用会自组装发生聚集,这种聚集作用的结果使MWNT作为凝胶的超级交联点促进了凝胶网络的形成,因而提高了凝胶的强度。并且,MWNT-g-PEG/a-CD杂化凝胶具有触变性和可逆性,使其在药物注射方面具有潜在的应用。热性能的研究表明,MWNT的引入显著改善了凝胶的热稳定性,并使其热分解温度提高了大约100℃,远远高于目前的有关文献报道。 2.利用MWNT-g-PEG作为介质,在低温下,通过溶胶凝胶法制备了MWNT表面负载花瓣状的氧化锌(ZnO)纳米复合材料。通过X射线衍射、红外波谱、扫描电镜和透射电镜对杂化复合材料进行表征。结果表明,ZnO纳米粒子和MWNT之间结合紧密,ZnO的尺寸比较均一。另外,研究表明,MWNT表面的PEG对ZnO的负载起着重要的作用,它是ZnO原位生长的活性点,推测了其生长机理。 3.通过原子转移自由基-氮氧自由基偶合的方法(ATNRC)成功制备了MWNT-TEMPO-PEG。首先,通过4-羟基-2,2,6,6-四甲基吡啶氮氧自由基与酸化后MWNT表面的羧基的脱水缩合反应,制备了表面带有氮氧自由基的MWNT (MWNT-TEMPO);另一方面,利用PEG的羟基与2-溴异丁酰溴发生酯化反应得到了末端带有溴原子的PEG (PEG-Br)ATRP引发剂；然后将MWNT-TEMPO和PEG-Br在溴化亚酮／五甲基二乙烯基三胺(CuBr/PMDETA)存在的条件下,进行自由基偶和反应,得到了MWNT-TEMPO-PEG。所得的产物通过红外、核磁、热分析、透射电子显微镜等进行了表征。研究表明,通过ATNRC方法得到MWNT-TEMPO-PEG上的PEG接枝密度为41%,与我们前期做可达54%的MWNT-g-PS的接枝密度相比,降低了很多,分析原因为PEG-Br在ATNRC体系中会发生去质子化而自我终止,从而降低了反应活性。