碳纳米管表面改性工艺参数优化试验研究

作者简介 ：王誉 （ ９８ １ ８ 一），男 ，东北 大学硕 士研究 生 ，Ｅ—ｍａｌ ａｇｕ７ ７ ５ １３ ｃｍ；刘越 （９ Ｏ ） 男 ，东北 大学 教授 ｉ ：ｗ ｎ ｙ８ ０ １ ＠ ６ ．ｏ １６ 一
Ｅ —ｍａｌ ｄ ｄ ｆ ｃ ＠ ｙ ｈ ｏ ｃ ． ｉ ： ｂ ｘｈ ｌ ａ ｏ ． ａ
Ｗ Ａ Ｎ Ｇ ｕ，ＬＩ Ｙ Ｕ Ｙｕｅ
（ ｃｏ ｌ ｆ ｔｒｌａｄＭｅａｕｇ ， ｒ ｅｓｒ ｉｅ ｉ ，Ｓｅｙｎ １８ ９ ｈｎ ） Ｓｈ ｏ ｏ Ｍａ ｉｓ ｎ ｔｌｒｙ Ｎｏｔ ａｔ ｎＵｎｖｒｔ ｈ ｎａｇ１０ １ ，Ｃ ｉａ ｅ ａ ｌ ｈ ｅ ｓｙ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈ ｇ ｒ ｇ ｔ ｄ ｔ ｅ ｒ ｗ ｓｒ ｃ ： ｅ ａ ｇ ｅ ａ ｅ ｈ ａ ＣＮＴｓ ｗｅ ｅ ｄ ｓ ｅ ｓｄ ｂ ｈ ｌ ａｏ ｉ ｉ ｅ ｉ ｎ ｍｅｈ ｄ ． ｔ ｅ ｈ ｕ ａ ｅ ｒ ｉ ｒ ｙ ｔ ｅ ｕｔ ｓ ｎ ｃ ｄ ｓ ｒ ｏ ｔ ｏ ｐ ｅ ｒ ｐｓ ｈ ｎ ｔｅ ｓｒ ｃ ｆ
对镀层 质量的影响．实验结果表明 ：在 乙醇溶液 中 ，利用分散 剂进 行超声分散可 以明显改善碳 纳米 管之 间的 团聚状况 ；经过酸化 、敏化 、活化处理后其表面可形成密集 的活化点 ；镀镍 温度在 ２ ０℃左 右 ，ｐ Ｈ值 约 ８ ２ ． 时 ，所得 镀层 较 为均 匀 ，经 ４ ０℃ 保 温 ２ ｈ的热 处 理 后 ，镀 层 变 得 光 滑 、连 续 、致 密 ，镀 层 的厚 度 为 １
从 而带 来 复合 材料 的一 次 飞 跃 ． 纳 米 管 具 有 比 碳 其 他微 米级 增 强 体更 好 的性 能 ， 改 善基 体 材料 是 性 能 理想 的纳 米级 增 强 体 ． 纳 米 管 在 改 性 金 碳 属基 复合 材料 中出现 的主要 问题是 增强 体 与基 体
材料 的相 容性 ． 究 表 明可 以通 过 在 碳 纳 米 管 表 研
表 １ 实验所 用碳纳米管的主要参数
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ｆ ｒ ｔ ｅ ｅ ｐｅｒｍ ｅ ｏ ｘ ｈ ｉ ｎｔ
以获得 连续 ， 匀 ， 密 的镀 层． 均 致
于 ０ ５ｇ Ｌ的 Ｐ Ｃ２ ０２ ／ ＬＨ １ 液 中 ， ． ／ ｄ １＋ ．５ｇ 的 Ｃ 溶 电 磁搅 拌 １ ｎ后 ， 声分 散 ３ ｉ， ０ｍｉ 超 ５ｒｎ 然后 抽滤 ， ａ 最
后用 去离 子 清洗 至接 近 中性 ． 以上 步 骤 每 次 清 洗 后 都 要 再 次 电 磁 搅 拌 ３ｒｉ ， ｎ 以使 每一 步 反 应 都 能 较 为 充 分 地 发 生 ． ａ 最
表 ２ 化 学镀 镍 的 主 要 成 分 和 条 件
Ｔａ ｌ Ｃｏ ｂｅ２ ｍｐ ｓｔ ｎ ａ ｄ ｏ ｅ ａ ｎ ｏ ｄ ｔ ｎ ｆ ｏ ｉｏ ｎ ｐ ｒ ｔ ｇｃ ｎ ｉ ｏ ｓｏ ｉ ｉ ｉ
实 验采 用 多壁 结 构 的碳 纳 米 管 ， 主 要 参 数 其
见表 １ ．
１ ２—２ ｍ． ０ａ
关键词 ： 碳纳米 管 ；表面改性 ；化学镀镍 ；热处理 中图分类号 ：Ｔ ７ ．４ Ｇ １４ ４ ４ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１７ —６０ ２ １ ） ２０ １ －７ ６ １ ２ （ ０２ ０ －１６ ６ ０
Ｅｘ ｒ ｍ ｅ ａ ｎ ｅ ｔｇ ｔｏ ｎ ａ ａ ｅ ｅ ｏ ｐ ｉ ｉ ａ ｉ ｎ ｆｔ ｐｅ ｉ ｎｔ ｌｉ ｖ ｓ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｐ ｒ ｍ ｔ ｒ ｆ ｒ ｏ ｔｍ ｚ ｔｏ ｏ ｈｅ ｓ ｆ ｃ ｏ ｉ ｃ ｔｏ ｏ ｈｅ ｃ ｒ ｏ ａ ｔ ｂｅ ｕｒ ａ ｅ ｍ ｄ ｆ ａ ｉ ｎ ｆｔ ａ ｂ ｎ ｎ ｎｏ ｕ ｓ ｉ
管作为复合材料 的增强相 ， 以显著地提高和改 可
善材 料 的强 度 、 弹性 等力 学性 能 以及 电磁学 性能 ，
收 稿 日期 ：２ １ －４１ ． ０ ２０ －６ 基 金 项 目 ：沈 阳市 自然 科 学 基 金 项 目 （０ １２ １８ ２ ８—１— ０ ） ０７ ．
高能束流辐照法 等， 中表 面化学镀 以其设备 其
ｍ ｏｄｆｃ ｔｏ ｏｆｔ ｅ ｄ ｓ ｒｅ Ｎ Ｔｓｗ ｅ ｅｄ ｓ ｓ ｄ ｂ ａ ｉ ｆｃ ｔｏ ｉ ａｉｎ ｈ ｉｐｅｓ ｄ Ｃ ｉ ｒ ｐｏ ｅ ｙ ｃｄｉ ａｉ ｎ．ｓ ｎ ｉ ｚ ｔｏ ｎｄ ａ ｔ ａｉ ｎ ． Ｎ ｉｃ ｔ ｄ １ｙｅ ｅ ｅ ｉ ｉ ｅ ｓｔ ａｉ ｎ ａ ｃｉ ｔｏ ｉ ｖ ｏａｅ ａ ｒ ｗ ｒ ｓ ｄｅ ｓｔ ｄ ｏｎ ｔ ｕｒａ ｅ ｏ ｈｅ ＣＮ Ｔｓｂ ｌｃｒ ｅｓｐ ａｉ ｎｄ ａｈｅ ｔｔｅ ｔ ｅ ａ ｎｄ ｒ ｄ ｏｒｔ ｍ ． Ｔｈ ｆｅ ｔ ｆ ｐｏ ｉｅ ｈｅ ｓ ｆ ｃ ｆｔ ｙ ｅｅ ｔｏｌｓ ｌｔｎｇ ａ ａ ｒ ａｍ ｎｔｗ ｓｅ ｕ ｅ ｆ ｈｅ ｅ ｅ ｃｓｏ ｄｉ ｒｉ ｓ ｓ ｐｅ ｏｎ，ｓ ｒａ ｅ ｍ ｏｄｆｃ ｔｏ ａ ｄ Ｎ ｉｐｌｔｎｇ ｔｃ ｏ ｏ ｙ ｏ ｔ ｅ ｑｕ ｌｔ ｆＮ ｉｃ ｔ ｄ ｌｙｅ ｆｃ ｒ ｎ ｎａ ｔ ｂｅ ｅ ｅ ｕ ｆ ｃ ｉｉ ａ ｎ ｎ ａｉ ｅ ｈｎ ｌ ｇ ｎ ｈ ａｉ ｏ ｏａｅ ａ ｒｏ ａｂｏ ｎｏ ｕ ｓｗ ｒ ｉ ｙ ｓｕ ｉ ｄ Ｔｈｅ ｘ ｒｍ ｅ ａ ｒ ｓ ｔ ｉ ｉａｅ ｔ ｔ ｈｅ ｓ ｅ ｓｎ ｉ ｔ ａｃ ｈｏ ｓ ｌ ｉ ｎ ａ ｏｂ ｉ ｕｓ ｉ ｐ ｏ ｔ ｔｄｅ ． ｅ ｐｅｉ ｎｔｌ ｅｕｌ ｎｄｃ ｔｄ ｈａ ｔ ｄｉｐ ｒａ ｔ ｎ ｈｅ ｌ ｏ ｌ ｏｕｔｏ ｃ ｎ ｓ ｖ ｏ ｌ ｍ ｒ ｖｅ ｈｅ ｙ ａ ｇｏｍ ｅａ ｏ ｏｆｔ Ｎ Ｔｓｉ ｔ ｅ ｕ ｔａｏｎ ｃｄ ｓ ｒｉ ｎ ｍ ｅｈｏ ｇｌ ｒｔ ｎ ｈｅＣ ｉ ｎ ｈ ｌｒ ｓ ｉ ｐｅ ｏ ｔ ｄ． ｔ ｅ ｓａ ｔｖ ｔｄ ｓｔ ｓｗ ｅ ｅｆ ｒ ｅ ｎ ｈｅ ｓ ｒａ ｅ ｏ ｉ ｓ ｈｅ ｄ ｎ ｃ ａｅ ｉｅ ｒ ｏ ｍ ｄ ｏ ｔ ｕ ｃ ｆ ｉ ｆ ｔ ａｂｏｎ ｎ ｎ ｕｂｅ ｆｅ ｃｄｉ ｃ ｔｏ ｈｅ ｃ ｒ ａ ｏｔ ｓ ａｔｒ ａ ｉ ｆ ａｉ ｎ， ｓｎｓｔｚ ｔｏ ａ ｃ ｖ ｔｏ ｉ ｅ ｉ ａｉ ｎ ｎｄ ａ ｔ ａ ｎ． Ｔｈｅ ｅ ｐｅａｕｒ ｐＨ ａ ａ ｒ ａｍ ｅ ａｔ ｒ ｉ ｉ ｉ ｔｍ ｒ ｔ ｅ． ｎｄ ｈｅ ｔ ｔｅ ｔ ｎｔ ｆｅ ｄ ｐ ｉ ｏｎ ｈａ ｎ ｉ ｐ ｒａ ｔ ｆｅ ｔ ｏｎ ｔ ｑ ｌｔ ｆ Ｎ ｉｃ ａ ｅ ａ ｅ ． Ｗ ｈｅ ｅ ｏｓｔ ｖｅ ａ ｍ ｏ ｔ ｎ ｅ ｃ ｈｅ ｕａｉｙ ｏ ｏ ｔｄ ｌｙ ｒ ｉ ｎ Ｔｈｅ ｐ ａｉ ｔｍ ｐ ｒ ｔ ｅ ｗ ａ ｔａ ｌｔｎｇ ｅ ｅ ａｕｒ ｓ ａ ｂｏｕ ｔ ２ ｑ ａ ｈｅｐＨ ｌ ｓａ ０ Ｃ ｎｄ ｔ ｖａｕｅ ｗａ ｂｏｕ ２．ａｍ ｏｒ ｉｏ ｍ ｉｃ ｔ ｄ ｌｙ ｒｃ ｎ ｂｅ ｏ ａｎｅ Ｔｈｅｌｙｅ ｉ ｃ ｔ８． ｅｕｎｆ ｒ Ｎ ｏａｅ ａ ｅ ａ ｂｔｉ ｄ． ａ ｒｗ ｌ ｂｅ ｏｍ ｅｍ ｏ ｅ ｌ ｒ ｓ ｏｔ ｍ ｏ ｈ．ｍ ｏ ｅ ｃ ｎｔ ｒ ｏ ｉ ｎｕｏ ｎｄ ｍ ｏｒ ｅ ｓ ｆｅ ａ ｒ ａｍ ｅ ｔ４１ ℃ ｆ ｒ２ ｈ． Ｔｈｉｋ ｓ ｈ ａ ｒｉ ｂｏ ２ ～ ｕｓａ ｅ ｄ ｎ ｅ ａｔ ｒｈｅ ｔｔｅ ｔ ｎｔａ ０ ｏ ｃ ｎｅ ｓｏｆｔ ｅ ｌｙｅ ｓａ ｕｔ１
而 成 的无 缝 、 空 的管 体 ， 有 长径 比大 、 中 具 比面 积
大、 高稳定 性 、 减震 耐磨 性好 和极 高 的轴 向强度 和
很 高 的弹性 模 量 等 特 点 ． 因其 具 有优 异 的物 理 性 能 和力 学性 能而 逐渐 成 为人 们 研 究 的热 点 Ｊ碳 ．
纳 米 管 也 是 已 知 最 细 ， 度 最 高 的 纤 维 材 料 之 刚
第１ １卷 第 ２期
２１ ０ ２年 ６月
材
料
与 冶
金wenku.baidu.com
学
报
Ｖ０．１１ １ Ｎｏ ．２
Ｊ ｕｎ ｌｏ ｔｒ ｌ ａ ｄ Ｍｅａｌ ｒｙ ｏ ｒ ａ ｆＭａｅｉ ｓ ｎ ｔｌ ｇ ａ ｕ
Ｊｎ ０２ ｕ ｅ２ １
碳 纳 米 管 表 面 改 性 工 艺 参 数 优 化 试 验 研 究
第 ２期
王
誉 等 ：碳 纳米 管表 面改 性 工 艺参 数优 化试 验研 究
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简单 以及镀层 晶粒 的细密 、 隙率低 ， 孔 耐腐蚀性
高 、 观光亮 等 特 点 成 为碳 纳 米 管 涂 层 的重 要 方 外 法 ． 目前 人 们 对 碳 纳 米 管 镀 镍 的研 究 还 比较 少 ］由于碳 纳 米 管 的 分 子 间 结 合 力 较 大 ， ． 易 于 团聚 ， 化程 度 高 、 面活 性 低 等特 点 ， 墨 表 比较 难
王 誉 ，刘 越
（东北大学 材料与冶金学 院，沈 阳 １０ １ １８ ９） 摘 要 ：利用超声分散 法对 团聚的原始碳纳米管分散处理后 ，通过 酸化 、敏 化 、活化等步骤对其进行 表面改
性处理 ，采用表 面化学镀在其表面镀覆镍层 ，并进行热处理 ．研究 了碳 纳米 管的分散 、表面改性和镀镍 工艺
后一 次清 洗 时都要 超声 分 散 ５ｒｎ 以防碳 纳米 管 ｉ， ａ
再次 团聚． 主要 工艺 流程 如下 ： 其
酸 化 — 敏 化 — 活 化 ＿— 镀镍 卜— 热 处 理 ＿
本 文对 碳纳 米 管进行 分 散和 表 面酸化 ， 化 、 敏
活 化处 理后 ， 表 面 化 学 镀 的 方 法实 现 了金 属 镍 用 的镀覆 ， 对镀 镍后 的碳 纳 米管进 行 了热 处理 ． 并 研
究 了碳 纳米 管 获得 连续 致密 镍涂 层 的优化 工 艺 ．
１ ２ ３ 碳 纳 米管 的化 学镀镍 ．．
１ 实 验 材 料 与 方 法
１ １ 主要原 料 及试 剂 ．
将表 面 改性 后 的 碳 纳米 管 分 散 于 镀 液 中 ， 通
过化 学沉 积 的方 法 在 碳 纳米 管 表 面 包 覆 镍 层 ． 经 过试 验 比较得 到优 化 的镀液 成 分见 表 ２ ．
２０ ｎ ． ｍ
Ｋ ｅ ｏ ｄｓ：ＣＮ Ｔｓ ｓ ｆａ ｅｍ ｏ ｆ ａ ｏｎ；ｅｅ ｔｏ ｅｓｎ ｃ ｌｐｌｔ ｙｗ ｒ ； ｕｒ ｃ ｄ ｉ ｔ ｉ ｃｉ ｌｃｒ ｌｓ ｉｋｅ ａｉ ｎｇ； ｈ ａ ｒ ａｍ ｅ ｅ ｔｔｅ ｔ ｎｔ
碳 纳米 管是 由碳 原 子形 成 的石墨烯 片层卷 曲
一
ｌ ２ Ｊ
一
利用 碳 纳米 管 可 以制 备 出具 有 特 殊 性 能 的 维量子 线 、 一维 碳 纤 维 和 纳米 棒 Ｉ ． ４ 将碳 纳 米 Ｊ
．
面镀一层金属来改善其相容性 ， 从而使碳纳米管 与基 体 之 间形成 连续 、 强度 的结 合 ． 高
目前在碳 纳 米 管 表 面镀 金 属 的 主要 方 法 有 ： 表 面化 学镀 ｊ 表 面 电化 学 镀 Ｊ 气 相 沉 积 和 、 、