碳纳米管的表面功能化修饰机理及方法研究

ＭＡ Ｙｕ—ｌｉａｎｇ，ＦＡＮＧ Ｘｕｅ，ＳＵ Ｇｕｉ—ｍｉｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｈａｉ－ｊｉａｎ，ＣＨＥＮ Ｍｉｎｇ－ｙｕｅ，ＳＯＮＧ Ｍｅｉ－ｈｕｉ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｃｈｅｎ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈａｒｂｉｎ １５００２８，Ｃｈｉｎａ）
等 ，结 合国内外研究进展 ，对碳 纳米 管功 能化修饰 的机理及方法进行综述 。
关键词 ：碳 纳米管 ；功能化 ；表面修饰
中图分类号 ：ＴＱ１２７．１
文献标识码 ：Ａ
Ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍ ｏｄｉｆｉｅａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ‘
化 学 工 程 师 Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ
２０１６年第 ｏ４期
誊 ＤＯＩ：１０·１６２４７，ｊ．ｃｎｋｉ·２３—１１７１／ｔｑ·２ｏ１６ｏ４３５
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碳纳米管的表 面功能化
遴
ห้องสมุดไป่ตู้
修饰机理及 方 法研 究
马 宇 良，方 雪 ，苏桂 明 ，姜 海健 ，陈明 月 ，宋 美慧 ，张 晓 臣
ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｃｏｎｎｅｃｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＮＴｓ，ｗｅ ｔｒｙ ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｔｈ ｅ ＣＮＴｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ；ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｏｎｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎａｎｏ—ｍａｔｅｒｉａｌｓ。ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ（ＣＮＴｓ）ｈａｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｒｏｐｅｒ— ｔｉｅｓ．Ｂｕｔ ＣＮＴｓ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃａｌｌｙ ｔｅｎｄ ｔｏ ｂｕｎｄｌｅ ｏｒ ａｇｇｒｅｇａｔｅ．Ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｓ ｏｆ ＣＮＴｓ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ
ｍａｊｏｒ ｉｍｐｅｄｉｍｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＮＴｓ．Ｔｈ ｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｐｌａｙ ａ ｋｅｙ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＮＴｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｓｅｖｅｒａｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔ ｈｅ ｅｆ－ ｆｅｃｔｉｖｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ＣＮＴｓ．ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｕｌ＇￣ａｃｅ ｍｏｄｉｆ ｉｃａｔｉｏｎｓ，ｃｏｖａｌｅｎｔ ｓｕｒｆａｅｅ ｍｏｄｉｆ ｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｎｏｎ—ｃ０ｖａ ｌｅｎｔ
收稿 日期 ：２０１６—０３—１７ 基 金项 目：黑龙 江省科学 院青 年创新基金项 目 作者简 介：马宇 良（１９８８一），硕士学位 ，汉族 ，工程师 ，毕业 于哈尔 滨理
工大学 ，主要研究方 向：功能复合材料 、电介质材料。
部 、或者在基体 内部 团聚成束 ，那 么掺 杂后非但不 能增强基体材料 ，反 而会对基体材料 的固有属性带 来损害 ，因此 ，碳纳米管的功能化处理及表面修饰 ， 是碳纳米管改性复合材料领域的关键技术 。近十年 来 ，关于碳 纳米管功能化领域 的研究有很多 ，包括 各种物理 、化学方法 等被用来对碳纳米管进行功能 化处理 ，其 中包括 ：掺杂 、填充 、包覆、接枝等等 ，也 陆续 能 够 看 到 各 种 功 能 化 处 理 后碳 纳 米 管 的各 项 性能研究被报道。碳纳米管功能化的研究 ，旨在通 过增强碳纳米管在溶剂或液态基体材料中的溶解 能力来改善碳纳米管和基体材料间的结合能力 ，以 增强复合材料的某些性能 ，根据功能化后碳纳米管 的表面特征 ，可分 为 １Ｇ表 面（表面基团化 ）、２Ｇ表 面 （表 面有 机化 ）及 ３Ｇ（表 面聚 合 物化 ）。 主要 采用 的功能化手段包括 ：机械分散功能化法 、共价功 能 化法 、非公价功能化法等 ，本文以功能化碳纳米管 制备方法为分类手段 ，结合近年来学术界 的研究成 果 ，对碳纳米管功能化方法及机理进行分析。
（黑龙江省科学院 高技术研究院 ，黑龙江 哈尔滨 １ ５００３６）
摘 要 ：碳纳米管作为一种一 维纳米材料具有 优异 的性 能 ，但是 由于 自身结构导 致的不溶性 ，以及易于
团聚和缺乏 表面功能基团等实际 问题 ，限制 了其 应用范 围 ，因此 ，碳纳米 管功能化修饰是碳 纳米 管应用研究
的重点领域 ，本 文介绍 了碳纳米管表面功能化 的几种 主要 方法 ：机械分散 功能化 、共价功 能化 、非公价功能化
碳 纳 米 管 （ＣＮＴｓ）是 由 日本 科 学 家 Ｉｉｊｉｉｉａａ于 上 世纪 ９Ｏ年代初发现 的【¨，是一种具有管状形态 、直 径为纳米尺度 的碳材料 ，碳纳米管具有极高 的强 度 、韧性和弹性模量 ，极大的长径 比和 比表面积 ，并 且热传导性能优异 ，是极具应用潜力的纳米填料 ， 在航空 、航天、电子、化工 、医药等领域广泛应用。从 发现至今 ，经过广大研究学者 的不懈努力 ，关于碳 纳米管的理论体 系也逐渐完善 ，许多碳纳米管制 品 也 已相继问世 ，但是在某些方 向的研究依然处 于瓶 颈 ，譬如如何经济高效 的制备碳纳米管 ，以及简单 有效的碳纳米管分散技术 ，这些领域将是未来碳纳 米管研究的重点方向。碳纳米管由于 自身结构导致 的不溶性 ，以及易于团聚和缺乏表面功能基团等实 际问题 ，限制了其应用范围。在复合材料领域 ，碳纳 米管作为纳米级填料 ，若无法均匀分散在基体 内