碳纳米管的改性及其应用
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
１ 碳纳米管 的改性
ＣＮＴｓ是 由碳 原子 形 成 的石 墨烯 片 层卷 积 而成 的无 缝 中孔 管 状 结 构 ，直径 最 小 可 达 ０．４ ａｍ，长度 却 可达 数 毫米 ，巨大 的长 径 比使 管 与 管 之 间极 易缠 结 团聚 ，致使 ＣＮＴｓ很 难溶 于水 和 有机 溶剂 ，限制 了 其广 泛 的应用 和优 良性 能 的发 挥 。对 实 际制备 的纳 米碳 管 而 言 ，其 直 径 、长 短 、表 面状 态等 受 到 多种 因 素制 约 ，使 其 结构 容易 产 生缺 陷 ，如 出现五元 环 ／七 元环 的拓 扑缺 陷 、ｓｐ 杂化 缺 陷 、空穴 缺 陷等 ，这就 为 我们 提 供 了对 ＣＮＴｓ进 行 表 面改 性 的机 会 。ＣＮＴｓ 的表 面 改性 可 分 为 两 类 ：一 ，非 共 价 作 用 的物 理 改 性 ；二 ，共价 作用 的化 学 改性 ［２Ｊ。 １．１ 非 共价作 用
第 ３９卷 第 ２期 ２０１０年 ４月
当 代 化 工
Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
Ｖｏ１．３９．Ｎｏ．２ ຫໍສະໝຸດ BaiduＡｐｒ ｉｌ，２０１０
碳 纳 米 管 的 改 性及 其应 用
温春 娅 ，李 光 磊 ，孙 雪 玲
（沈 阳化工学院材料科学 与工程学 院，辽宁 沈阳 ｌ１０１４２）
摘 要 ： 碳 纳 米 管 因 其 具有 独 特 的物 理 化 学 性 质 在许 多 领 域 具 有 潜 在 的应 用 价 值 。碳 纳米 管 表 面 改 性 是实现其应用价值 的主要手段之一。介绍 了碳纳米管表面改性方法 的研究进展 ，以及改性碳 纳米管在复合材 料 、医学 、环 保 、储 能 等 领 域 的 一些 应 用 。 关 键 词 ： 碳纳米管 ；表面改性 ；聚合物 ；复合材料 中 图分 类 号 ： ＴＱ １２７．１ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文章 编号 ： １６７１—０４６０（２０１０）０２—０１９９—０４
非共 价作 用 的表 面 改性 是 利 用表 面活 性剂 、聚
合物 或天 然生 物大分 子 化合 物等 吸 附在 ＣＮＴｓ表 面 以增 加其溶 解性 。这 类方 法一 般 只是 改变 ＣＮＴｓ的 表面 性 质而 不会 破 坏其 原 有结 构 ，对 于保 持 ＣＮＴｓ 的某 些独 特 的物理性 能具 有重要 意 义 。 １．１．１ 表 面活性 剂
（１）静 电 吸附 、盯一堆垛 作用 碳 纳 米 管 ／聚 合 物 之 间 强 的耦 合 作 用 改 变 了 ＣＮＴｓ的表 面化 学状 态 ，进 而改 变 了管 与管 以及管 与 溶 剂 之 间 的作 用 ，但 是这 种 作 用局 限 于 ＣＮＴｓ表
基 金 项 目：辽 宁省 教 育 厅 项 目（２００８５６１）；沈 阳化 工 学 院博 士科 研 启 动 基 金 项 目（２００８ ｏ 收 稿 日期 ：２００９—１１－２２ 作者简 介：温春娅 ：（１９８４一），女 ，河南驻马店人，沈阳化工学 院 ２００７级研究生，高分 子化 学与物理专业 ，研究方向为碳纳米管的改性及
其复合材料的制备 ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｅｎｃｈｕｎｙａ９６６６＠１６３．ｔｏｍ。
２００
当 代 化 工
第 ３９卷 第 ２期
自 １９９１年 ，Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ发 现 碳 纳 米 管 （ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ｃＮＴｓ）以来 ［１］，ＣＮＴｓ因其 独 特 的结 构 特 征 、奇异 的物理 化 学性 能 和在 未 来 高科 技 领域 潜 在 的应 用 价值 而 备受 人 们关 注 ，很 快成 为 物 理 、化 学 、 生物 、材料 ，医药 等领 域 的研究 前沿 和热 点 。 目前 国 内外 在 ＣＮＴｓ的制 备 、纯 化 、功 能 化 、性 能应 用 等 方 面 已取 得 了大量 的研 究成 果 。随着 ＣＮＴｓ大 量制 备 技术 的 日趋 成熟 及 对其 研 究 的逐 渐深 入 ，现在 人 们 更 为关 注 ＣＮＴｓ的实 际 应用 ，尤 其 是将 ＣＮＴｓ与 聚 合 物 的 复合 。ＣＮＴｓ的 改性 是 实现 其应 用 价值 的前 提和 基 础 。碳纳 米 管表 面 改性 是 通 过物 理 、化 学 方 法改 变 ＣＮＴｓ表 面 的状 态 和 结构 ，提 高 它 的表 面 活 性，改善其 分散 性，增加 与其 它物 质 的相容性 。
表面活 性剂 （两性 分 子 ）的亲 油端朝 向 ＣＮＴｓ的 表 面 ，而 极 性 基 团端 伸 向溶 剂 中 ，通 过 静 电排 斥 作 用 得 到分散 的 ＣＮＴｓ悬 浮液 。这 种方法 首 先要纯 化 ＣＮＴｓ，然 后把 ＣＮＴｓ加 入表 面 活性剂 溶 液 中超声 分 散 。ｘ．Ｙｕ［３】等 采 用 Ｔｒｉｔｏｎ—Ｘ １００对 酸 氧 化 纯 化 的 ＣＮＴｓ进行 了分散 处理 ，ＣＮＴｓ被 很好 的分 散 ，用 该 分 散 液制 备 出 的 ＣＮＴｓ透 明导 电薄膜 的 电阻 率达 ６ Ｑ ·ｍ，透 光率 为 ８８％。Ｈｕ等 『４］用 十二 烷基 硫酸钠 ，采 用 超声 波 振荡 的方法 对 ＣＮＴｓ进行 分散 ，并 探讨 了 不 同分 散 条件 对 ＣＮＴｓ分散 形 态 的影 响，发 现选 用 适 当的 ＣＮＴｓ原 料 、延长超 声 时 间以及 降低 悬浮 液 浓度 都将 有利 于 ＣＮＴｓ的充分 分散 。 １．１．２ 聚合 物
聚合 物 可 通 过 两 种 方式 与 ＣＮＴｓ发 生 吸 附 作 用 ：一种 是 带有 官 能 团或 含有 共 轭结 构 聚合 物 的 高 分子链 段整 体 和 ＣＮＴｓ产生 非 常强 的静 电吸 附 、丌一 堆 垛 作 用 ；另一 种 方式 是 聚合 物 只有 部 分高 分 子链 段 和 ＣＮＴｓ产生相 对较 弱 的吸 附作用 ，其 余部 分链 段 起 到空 间稳定 作用 。
ＣＮＴｓ是 由碳 原子 形 成 的石 墨烯 片 层卷 积 而成 的无 缝 中孔 管 状 结 构 ，直径 最 小 可 达 ０．４ ａｍ，长度 却 可达 数 毫米 ，巨大 的长 径 比使 管 与 管 之 间极 易缠 结 团聚 ，致使 ＣＮＴｓ很 难溶 于水 和 有机 溶剂 ，限制 了 其广 泛 的应用 和优 良性 能 的发 挥 。对 实 际制备 的纳 米碳 管 而 言 ，其 直 径 、长 短 、表 面状 态等 受 到 多种 因 素制 约 ，使 其 结构 容易 产 生缺 陷 ，如 出现五元 环 ／七 元环 的拓 扑缺 陷 、ｓｐ 杂化 缺 陷 、空穴 缺 陷等 ，这就 为 我们 提 供 了对 ＣＮＴｓ进 行 表 面改 性 的机 会 。ＣＮＴｓ 的表 面 改性 可 分 为 两 类 ：一 ，非 共 价 作 用 的物 理 改 性 ；二 ，共价 作用 的化 学 改性 ［２Ｊ。 １．１ 非 共价作 用
第 ３９卷 第 ２期 ２０１０年 ４月
当 代 化 工
Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
Ｖｏ１．３９．Ｎｏ．２ ຫໍສະໝຸດ BaiduＡｐｒ ｉｌ，２０１０
碳 纳 米 管 的 改 性及 其应 用
温春 娅 ，李 光 磊 ，孙 雪 玲
（沈 阳化工学院材料科学 与工程学 院，辽宁 沈阳 ｌ１０１４２）
摘 要 ： 碳 纳 米 管 因 其 具有 独 特 的物 理 化 学 性 质 在许 多 领 域 具 有 潜 在 的应 用 价 值 。碳 纳米 管 表 面 改 性 是实现其应用价值 的主要手段之一。介绍 了碳纳米管表面改性方法 的研究进展 ，以及改性碳 纳米管在复合材 料 、医学 、环 保 、储 能 等 领 域 的 一些 应 用 。 关 键 词 ： 碳纳米管 ；表面改性 ；聚合物 ；复合材料 中 图分 类 号 ： ＴＱ １２７．１ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文章 编号 ： １６７１—０４６０（２０１０）０２—０１９９—０４
非共 价作 用 的表 面 改性 是 利 用表 面活 性剂 、聚
合物 或天 然生 物大分 子 化合 物等 吸 附在 ＣＮＴｓ表 面 以增 加其溶 解性 。这 类方 法一 般 只是 改变 ＣＮＴｓ的 表面 性 质而 不会 破 坏其 原 有结 构 ，对 于保 持 ＣＮＴｓ 的某 些独 特 的物理性 能具 有重要 意 义 。 １．１．１ 表 面活性 剂
（１）静 电 吸附 、盯一堆垛 作用 碳 纳 米 管 ／聚 合 物 之 间 强 的耦 合 作 用 改 变 了 ＣＮＴｓ的表 面化 学状 态 ，进 而改 变 了管 与管 以及管 与 溶 剂 之 间 的作 用 ，但 是这 种 作 用局 限 于 ＣＮＴｓ表
基 金 项 目：辽 宁省 教 育 厅 项 目（２００８５６１）；沈 阳化 工 学 院博 士科 研 启 动 基 金 项 目（２００８ ｏ 收 稿 日期 ：２００９—１１－２２ 作者简 介：温春娅 ：（１９８４一），女 ，河南驻马店人，沈阳化工学 院 ２００７级研究生，高分 子化 学与物理专业 ，研究方向为碳纳米管的改性及
其复合材料的制备 ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｅｎｃｈｕｎｙａ９６６６＠１６３．ｔｏｍ。
２００
当 代 化 工
第 ３９卷 第 ２期
自 １９９１年 ，Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ发 现 碳 纳 米 管 （ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ｃＮＴｓ）以来 ［１］，ＣＮＴｓ因其 独 特 的结 构 特 征 、奇异 的物理 化 学性 能 和在 未 来 高科 技 领域 潜 在 的应 用 价值 而 备受 人 们关 注 ，很 快成 为 物 理 、化 学 、 生物 、材料 ，医药 等领 域 的研究 前沿 和热 点 。 目前 国 内外 在 ＣＮＴｓ的制 备 、纯 化 、功 能 化 、性 能应 用 等 方 面 已取 得 了大量 的研 究成 果 。随着 ＣＮＴｓ大 量制 备 技术 的 日趋 成熟 及 对其 研 究 的逐 渐深 入 ，现在 人 们 更 为关 注 ＣＮＴｓ的实 际 应用 ，尤 其 是将 ＣＮＴｓ与 聚 合 物 的 复合 。ＣＮＴｓ的 改性 是 实现 其应 用 价值 的前 提和 基 础 。碳纳 米 管表 面 改性 是 通 过物 理 、化 学 方 法改 变 ＣＮＴｓ表 面 的状 态 和 结构 ，提 高 它 的表 面 活 性，改善其 分散 性，增加 与其 它物 质 的相容性 。
表面活 性剂 （两性 分 子 ）的亲 油端朝 向 ＣＮＴｓ的 表 面 ，而 极 性 基 团端 伸 向溶 剂 中 ，通 过 静 电排 斥 作 用 得 到分散 的 ＣＮＴｓ悬 浮液 。这 种方法 首 先要纯 化 ＣＮＴｓ，然 后把 ＣＮＴｓ加 入表 面 活性剂 溶 液 中超声 分 散 。ｘ．Ｙｕ［３】等 采 用 Ｔｒｉｔｏｎ—Ｘ １００对 酸 氧 化 纯 化 的 ＣＮＴｓ进行 了分散 处理 ，ＣＮＴｓ被 很好 的分 散 ，用 该 分 散 液制 备 出 的 ＣＮＴｓ透 明导 电薄膜 的 电阻 率达 ６ Ｑ ·ｍ，透 光率 为 ８８％。Ｈｕ等 『４］用 十二 烷基 硫酸钠 ，采 用 超声 波 振荡 的方法 对 ＣＮＴｓ进行 分散 ，并 探讨 了 不 同分 散 条件 对 ＣＮＴｓ分散 形 态 的影 响，发 现选 用 适 当的 ＣＮＴｓ原 料 、延长超 声 时 间以及 降低 悬浮 液 浓度 都将 有利 于 ＣＮＴｓ的充分 分散 。 １．１．２ 聚合 物
聚合 物 可 通 过 两 种 方式 与 ＣＮＴｓ发 生 吸 附 作 用 ：一种 是 带有 官 能 团或 含有 共 轭结 构 聚合 物 的 高 分子链 段整 体 和 ＣＮＴｓ产生 非 常强 的静 电吸 附 、丌一 堆 垛 作 用 ；另一 种 方式 是 聚合 物 只有 部 分高 分 子链 段 和 ＣＮＴｓ产生相 对较 弱 的吸 附作用 ，其 余部 分链 段 起 到空 间稳定 作用 。