多壁碳纳米管的表面功能化及其应用研究

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1、摘要Y1013673碳纳米管具有极高的机械强度、独特的金属或半导体导电性、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力，因此，被认为是“最佳纤维”的首选材料，在航天、航空、电子、机械等高新科技领域中具有广阔的应用前景。但由于碳纳米管之间存在较强的范德华力加之其巨大的比表面积和很高的长径比，使其容易团聚或缠绕：加之碳纳米管表面缺少活性基团，在各种溶剂中的分散性都很低，限制了其功能的发挥；并且在碳纳米管在基体材料中分散性差，与基体材料间的界面粘结较弱，导致其复合材料的性能仍不f分理想。因此目前制约碳纳米管广泛应用的主要问题是其分散性以及与基体材料的相容性问题，而

2、解决这些问题的关键就是对碳纳米管进行表面功能化。碳纳米管的表面功能化就是在碳纳米管表面引入功能性基团，从而增加其在溶剂或使用体系中的分散性和相容性。课题通过原位聚合法、共混法和原子转移自由基聚合法对多壁碳纳米管(MWNTs)的表面进行了功能化，并采用傅里叶红外光谱、紫外光谱、拉曼光谱、热分析、透射电子显微镜、分散性等分析手段对功能化的碳纳米管进行了表征，对其功能化机理进行了探索，并对MWNTs表面功能化基团进行了定量化分析与设计。课题又将特定功能化的MWNTs在膨胀型防火涂料中进行了应用，探索了其作用效果及机理。主要得出以下研究结果：通过N一乙烯基吡咯

3、烷酮(NVP)原位聚合法可以在MWNTs的表面引入聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)，制备出的功能化的多壁碳纳米管ⅢVP—MWNTs)在水和乙醇、DMF、氯仿等极性溶剂中具有良好的分散性；分析表明NVP和MWNTs之间发生了化学接枝反应，并且原位功能化并没有对MWNTs结构造成较大影响。原位功能化后，MWNTs的长度变短，帽端结构已经打开，中空结构已经不明显，聚合物不均匀地包覆在其表面。从机理上，MWNTs的原位功能化属于“graftingfrom”反应，NVP自由基在MWNTs表面的缺陷等活性部位优先生长，经过链增长等过程形成PVP接枝MWNTs的反应过程；

4、NVP溶液的浓度、超声波振荡时间和MWNTs表面状态等反应条件对MWNTs的原位功能化有较大影响。『司济人学博I。后研究T作报告多壁碳纳米管的表面功能化成其廊用研究采用共混法并在超声波辅助下可以将聚合物PVP接入到MWNTs表面。功能化的多壁碳纳米管(PVP—MwNTS)在水和乙醇、DMF、二氯甲烷和氯仿等极性溶剂中具有良好的分散性：研究表明PVP和MWNTs之间发生了一定的化学反应，同时也有明显的物理作用。由于可以观察到聚合物较均匀地包覆在MWNTs的表面，MWNTs的中空结构已经不明显，也可以观察到聚合物PVP积聚在MWNTs的帽端。MWNTs的共

5、混功能化属于“graftingto”反应机理，根据超声化学的基本机理，PVP大分子链在超声空化效应的作用下，产生大量大分子自由基，由于碳纳米管具有较强的自由基捕获能力，陔长链的自由基与MWNTs表面的缺陷等活性部位产生化学作用，形成PVP-MWNTs；超声波辅助振荡对MWNTs的功能化影响较大，以4h效果最佳，而PVP水溶液的浓度影响不大。采用原子转移自由基聚合于段利用嵌段聚合物可以对MWNTs进行了功能化。研究中采用酯化法将MWNTs—OH表面带有双键而活化，采用原子转移自由基聚合法合成出系列溴端基嵌段聚合物NVP—b—MMA、NVP．b．St和MM

6、A．b—St，再利用原子转移自由基反应可以将溴端基嵌段聚合物引入到活化MWNTs的表面，从而制备出嵌段聚合物NVP—b—MMA、NVP．b．St和MMA．b—St功能化的MWNTs：功能化的MWNTs在蒸馏水和无水乙醇中具有良好的分散性，并且可以分散到相应的单体中，预示着他们在其他相关结构的聚合物基体中具有良好的分散。通过MWNTs表面功能化基团定量化和设计研究，町以可控制备出不同表面特征的MWNTs。MWNTs可以通过硝酸、混酸和两步法引入一COOH，其表面一COOH的含量可以通过热重分析法和XPS分析法进行定量化研究；在特定的条件下硝酸氧化法48h

7、可以使MWNTs表面产生4．80％的一COOH，而混酸氧化4h可产生535％的一COOH，如果进一步由过氧化氢氧化2h，MWNTs表面产生的一COOH会提高到7．55％。所以，可以根据实际需要，合理地没计MWNTs表面羧基化程度：通过羧基化、酰氯化、氨基化等系列化学反应对MWNTs表面基团进行了设计，按照这样的工艺制备的MWNTs同时具有分散、增强、界面粘结和固化等多种功能，其针对性和实用性强，具有良好的定量化和可控性，为高性能MwNTs／环氧树脂复合材料的制备丌辟了新的途径。摘要!!曼IIIIII∞!!!!!!■!!!!!!《≈!!!!!!■!!!!

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