碳纳米管复合材料

碳纳米管复合材料的研究现状

摘要：自从上个世纪末纳米技术的出现，纳米材料的独特性能引起人们的广泛关注。把纳米材料与高分子材料复合，制备高性能和功能化的复合材料成为高分子材料领域的热点之一。作为纳米材料领域之一的碳纳米管（CNTs）具有独特的物理性能，是一种具有纳米直径的管状碳纤维，它具有超强的韧性和强度以及优异的导电性能。通过不同的复合方法可制备出增强、导电和电磁屏蔽的优异性能的材料，具有广泛的应用前景。

本论文通过不同的方法制备了不同高分子基碳纳米管复合材料，研究了CNTs在基体中分散状况和复合材料的力学、热学和导电性能，并探讨了CNTs对复合材料的结构和性能的影响。

关键词：纳米材料；碳纳米管；复合材料；

纳米材料是指平均粒径在纳米级（1-100nm）范围内的固体材料的总称。而作为其中重要的一个部分则是聚合物/无机纳米粒子复合材料，一般是指以有机高分子聚合物为连续相与纳米粒子进行复合而得到的复合材料。这种材料能够充分的结合高分子材料以及纳米粒子所具有的特性，大大的扩展了高分子材料的应用领域，而成为纳米材料里的研究热门。

一、纳米材料的特性

1992年国际纳米材料会议对纳米材料定义如下:一相任一维的尺寸达到

100nm以下的材料为纳米材料。由此可知,纳米材料的几何形状既可以是粒径小于100nm的零维纳米粉末,也可以是径向尺寸小于100nm的一维纳米纤维或二维纳米膜、三维纳米块体等。纳米材料的材质可以是金属或非金属;相结构可以是单相或多相;原子排列可以是晶态或非晶态。当物质进入纳米级后,其在催化、光、电、热力学等方面都出现特异化,这种现象被称为“纳米效应”。具体表现在以下几个方面：

1. 表面效应

固体颗粒的比表面积与其粒径的关系可由下式表示:

Sw=k/ρD (1-1)

式中Sw—粒子的比表面积;k—形状因子(球形和立方体粒子的K为6);ρ—粒子

的理论密度;D—粒子的平均直径。

纳米粒子具有极高的活性,很容易与其它原子相结合而出现一些非常规现象,如金属的纳米粒子在空气中会燃烧,无机纳米粒子暴露在空气中会吸附气体,并与气体发生反应等。在催化领域，纳米粒子作为载体，能使活性组分高度分散，可以大大降低催化剂的成本，而在超级双电层电容器中，用碳纳米管制备的电极具有很高的比表面积，能显著的提高双电层的电容量。

2. 量子效应

量子效应是指当粒子尺寸减小到某一临界值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续状态变为离散态的现象。纳米半导体微粒存在不连续的被占据的最高分子轨道能级，也存在未被占据的最低的分子轨道能级，所以纳米微粒的催化、电磁、光学、热学和超导等微观特性同宏观块体材料显著不同。如当金属被细分到小于光波波长时,就失去原有的光泽而呈黑色，尺寸越小,颜色越黑。因此,金属超细微颗粒对光的反射率很低。利用此特性可以作为高效率的光热、光电等变换材料,可以高效地将太阳能转变为热能和电能。此外,还可用于红外敏感元件、红外隐身技术等。

3. 小尺寸效应

在0.1nm-100nm的纳米尺寸范围内，物性系统会因其结构和组成的尺寸达到纳米级而呈现出异常的物理、化学和生物特性，这种特性叫做纳米材料的小尺寸效应。例如：平均粒径为40nm的铜粒子的熔点由原来的1083℃降至750℃；块状黄金的熔点为1063℃，当黄金的颗粒尺寸减小到3nm时，则其熔点降至原来的一半。

二、纳米材料在高分子复合材料中的应用

1. 高分子纳米复合材料的制备方法

(1)插层复合

插层复合法的原理以层状硅酸盐粘土-蒙脱土(MMT)插层PA6为例,插层复合法主要有两种:一是插层聚合法,即先将聚合物单体分散,与经插层剂处理的层状硅酸盐混合,然后原位聚合,利用聚合时放出的热量,使其剥离成厚约1nm、长宽均约100nm的层状硅酸盐基本单元,均匀分散在聚合物基体中,实现高分子与硅酸盐在纳米尺度上的复合,但该法只合适制备粘土型复合材料而不能广泛使用。

二是聚合物插层,即将聚合物熔体或溶液与硅酸盐混合,利用力学或热力学作用使层状硅酸盐剥离成纳米尺度的片层并均匀分散在聚合物基体中形成纳米复合材料。其中聚合物熔融插层是聚合物在高于其软化温度下加热,在静止或剪切力作用下直接插层进入硅酸盐片层间,无需溶剂，易于工业化生产，有很大的应用前景。

(2)共混法

共混法是通过溶液共混、乳液共混与溶液共混、熔融共混和机械共混等4

种方式制得纳米复合材料,此法是制备纳米复合材料最简单的方法,适合各种形态的纳米粒子。共混法将纳米粒子与材料的合成分步进行,可控制粒子状态、尺寸。其难点是粒子的分散问题,由于纳米粒子比表面积大和比表面能极大,因此,极易发生团聚,难以保证纳米粒子在聚合物基体中的均匀分散,失去纳米粒子的特殊性质,控制粒子微区相尺寸及尺寸分布,共混前对纳米粒子的表面处理是其成败的关键。

(3)原位聚合法

原位聚合法就是将经过表面处理的纳米粒子加入到单体中,混合均匀,然后在适当条件引发单体聚合,从而制得聚合物基纳米复合材料。原聚合方式有悬浮聚合、分散聚合和乳液聚合等。Shang S.W.等通过丙烯酸酯表面处理SiO2纳米粒子，然后加入到EVA单体中进行原位聚合制得EVA/SiO2复合材料。原位聚合法在磁性高分子微球和非线性光学材料的制备中有广泛的应用。此法操作简单,在原位填充过程中，基体只经一次聚合成型，不须加工，避免由此产生的热降解，从而保证各种性能的稳定。

(4)溶胶-凝胶法(Sol-Gel)

Sol-Gel过程是将烷氧金属或金属盐等前驱物质(水溶性盐或油溶性醇盐)

溶于水或有机溶剂中形成均质溶液,溶质发生水解反应形成纳米粒子并形成溶胶,缩聚形成凝胶,再经溶剂挥发或加热等方法处理制成固体样品的方法。溶胶-凝胶法大概可分为3种情况:(1)把前驱体溶解在预形成的聚合物溶液中,在酸、碱或某些盐的催化作用下,让前驱物水解,形成半互穿网络;(2)把前驱物和聚合物单体溶解在溶剂中,让水解和单体聚合同时进行。这样使一些完全不溶的聚合物靠原位生成而均匀地嵌入无机网络;(3)在上述的聚合物或单体中,可以引入能与无