碳纳米管表面聚合物修饰及其性能的研究

论文摘要

由于碳纳米管具有独特的结构及其在力学、热学、电学等方面表现出的优异的性能,碳纳米管已成为是科学界研究的热点。然而其在溶剂中难溶及在聚合物基体中难于分散,因此有必要对其表面进行功能化,提高其溶解性,分散性和加工性能。本论文以多壁碳纳米管的有机共价修饰为主要内容,通过不同的合成方法,实现碳纳米管与聚合物的接枝,合成了结构明确的碳纳米管接枝聚合物,并利用红外光谱、透射电子显微镜、热失重分析等测试方法对这些聚合物进行了详细的表征。1.采用混酸氧化法对碳纳米管进行化学处理,制备了分散均匀的稳定的碳管悬浮液;再继续与氯化亚砜和乙二醇反应,引入了酰氯基团和羟基。结果表明,在碳管表面引入了活性基团,同时又能较好地保留碳管的原有性能。采用透射电镜和红外光谱对修饰的碳纳米管进行了表征,为进一步功能化和应用提供了可能。经溶解分散性实验测试,羧化和羟基化的碳纳米管在水中的分散性得到很大提高。2.利用引入羟基修饰的碳纳米管,合成碳纳米管接枝聚丙烯腈（MWNT-g-PAN）。首次采用带羟基的碳纳米管/四价铈离子组成氧化还原体系,自由基引发丙烯腈单体（AN）聚合,生成接枝共聚物。通过红外光谱对产物结构进行了表征,证明碳纳米管表面成功接枝聚丙烯腈。经测试,丙烯腈（PAN）修饰后的碳管在二甲基甲酰胺（DMF）中具有良好的溶解分散性,且十分稳定。3.利用酸化的碳纳米管,采用脱水缩合方法分别与双羟基聚乙二醇（PEG）、多羟基聚环氧乙烷与缩水甘油醚共聚物poly（EO-co-Gly）的羟基脱水缩合,在碳管表面接枝高分子聚合物。通过红外光谱、热失重分析等对产物进行了表征。并研究了碳管接枝聚乙二醇（MWNT-g-PEG）的非等温结晶性能,发现在碳纳米管接枝聚乙二醇中,碳管占主要成分时,阻碍聚合物链的结晶,降低了聚乙二醇的结晶速率。4.先利用原子转移自由基（ATRP）方法,预聚合聚苯乙烯链,再利用接枝在碳纳米管上的氮氧自由基,两者进行自由基偶合,在碳纳米管表面接枝上聚苯乙烯链。利用红外光谱、核磁共振、热失重分析等方法对各步产物进行表征测试。根据热失重分析,估算出聚苯乙烯链（PS）接枝密度约为每972个碳原子一根聚合物链。并通过透射电镜观察了修饰后碳纳米管的表面形貌,确认聚合物接枝的成功。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管的发现及其结构
• 1.3 碳纳米管的性能
• 1.4 碳纳米管的制备
• 1.5 碳纳米管性能的表征
• 1.6 碳纳米管存在的问题
• 1.7 碳纳米管的修饰与改性
• 1.7.1 碳纳米管的有机非共价化学修饰
• 1.7.2 碳纳米管的有机共价化学修饰
• 1.8 碳纳米管的应用
• 1.9 本论文的研究目的和研究内容
• 第二章 多壁碳纳米管表面官能团的引入
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要实验仪器以及试剂
• 2.2.2 产物测试仪器及测试条件
• 2.2.3 碳纳米管的羧酸化
• 2.2.4 碳纳米管的酰氯化
• 2.2.5 碳纳米管的醇化
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 原始/酸化碳纳米管的透射电镜分析与讨论
• 2.3.2 酸化后碳管的表征
• 2.3.3 红外谱图分析与讨论
• 2.3.4 修饰的碳纳米管分散性比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 氧化还原自由基体系制备碳纳米管接枝聚合物
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要实验仪器以及试剂
• 3.2.2 产物测试仪器及测试条件
• 3.2.3 碳纳米管接枝聚丙烯腈（MWNT-g-PAN）的合成
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 醇化碳管/铈离子体系与其他体系在不同温度下的比较
• 3.3.2 MWNT-g-PAN接枝聚合物的红外谱图
• 3.3.3 MWNT-g-PAN接枝聚合物的热失重分析
• 3.3.4 MWNT-g-PAN接枝聚合物分散性的研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 缩合方法制备碳纳米管接枝聚合物
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要实验仪器以及试剂
• 4.2.2 产物测试仪器及测试条件
• 4.2.3 MWNT-g-PEG接枝聚合物的制备
• 4.2.4 MWNT-g-Poly（EO-co-Gly）接枝聚合物的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 MWNT-g-PEG接枝聚合物的红外谱图
• 4.3.2 MWNT-g-PEG接枝聚合物的热失重分析
• 4.3.3 MWNT-g-PEG非等温结晶性能
• 4.3.4 MWNT-g-Poly（EO-co-Gly）接枝聚合物的表征
• 4.4 本章小结
• 第五章 自由基偶合制备碳纳米管接枝聚苯乙烯
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 主要实验仪器以及试剂
• 5.2.2 主要测试方法
• 5.2.3 碳纳米管接枝4-羟基-2,2,6,6-四甲基吡啶氮氧自由基
• 5.2.4 碳纳米管接枝聚苯乙烯的制备
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 碳纳米管接枝4-羟基-2,2,6,6-四甲基吡啶氮氧自由基的表征
• 5.3.2 溴端基聚苯乙烯链的表征
• 5.3.3 碳纳米管接枝聚苯乙烯的表征
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢