绿色共价修饰多壁碳纳米管及其表面超分子化学

论文摘要

碳纳米管是由单层或多层石墨片烯卷曲而成的无缝中空纳米管,具有优异的光、电、磁、机械和化学性能,在功能材料与结构材料等领域具有十分重要的应用前景。极大的长径比和强的管间相互作用使得碳纳米管易于缠结团聚、难于加工操纵和不溶于任何溶剂,从而限制了其应用与研究。研究表明,有机共价化学修饰是解决这些问题的最有效途径之一。然而,目前化学修饰碳纳米管过程中广泛地使用强氧化性酸、刺激性二氯亚砜和挥发性有机溶剂；同时,步骤较多、反应时间较长,其功能化效率较低。基于以上研究背景,本论文开展了绿色共价修饰多壁碳纳米管的相关研究。其一,通过水溶性偶氮类引发剂的自由基加成反应,在碳纳米管表面成功地键合了羟基和羧基等功能基团,并通过控制偶氮引发剂与碳纳米管的质量比或者使用多功能基团试剂,有效地调节了碳纳米管表面有机基团的密度。碳纳米管在化学修饰后具有更好的分散性和稳定性,其表面键合羧基能够与Ag+离子螯合再原位还原,从而制备了碳纳米管/Ag纳米复合材料。其二,以具有促进纳米管分散和催化聚合反应的室温离子液体为绿色溶剂,通过羟基化碳纳米管表面引发ε-己内酯单体开环聚合,制备了聚（ε-己内酯）接枝碳纳米管（MWNT-g-PCL）.对比研究发现,以离子液体代替有机溶剂为聚合媒介所得MWNT-g-PCL的接枝PCL含量高。其三,以碳纳米管表面接枝PCL链为客体,α-环糊精为主体,通过两者之间的主-客相互作用,在碳纳米管一维受限表面构筑了超分子多聚准轮烷。结果发现,受刚性碳纳米管骨架的限制,表面接枝PCL链明显地不同于其本体结构,其主-客化学计量比（己内酯单元与环糊精的物质量之比）要高于自由聚合物链形成的超分子组装体。本论文中以水和室温离子液体作为绿色反应溶剂,为发展绿色、清洁、高效和低耗的碳纳米管修饰方法提供了新的思路和途径,也更有利于拓展碳纳米管功能化和加速其实际应用。此外,在一维碳纳米管表面构筑的超分子多聚准轮烷,具有生物降解性和兼容性,在纳米科技和生物医学领域具有潜在的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 有机分子共价修饰碳纳米管
• 1.1.1 氢化与氟化加成
• 1.1.2 自由基加成反应
• 1.1.3 酯化与酰化反应
• 1.1.4 点击化学修饰
• 1.2 聚合物共价接枝碳纳米管
• 1.2.1 传统自由基聚合
• 1.2.2 逐步缩聚反应
• 1.2.3 开环聚合
• 1.2.4 原子转移自由基聚合
• 1.2.5 可逆加成断裂链转移聚合
• 1.3 绿色功能化碳纳米管
• 1.3.1 水为反应介质
• 1.3.2 离子液体辅助修饰
• 1.3.3 无溶剂反应
• 1.3.4 超临界二氧化碳技术
• 1.4 论文选题与研究内容
• 1.4.1 论文选题
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 水溶性引发剂自由基加成多壁碳纳米管
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料及试剂
• 2.2.2 偶氮类引发剂加成碳纳米管
• 2.2.3 碳纳米管/Ag纳米复合材料
• 2.2.4 仪器与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 偶氮类引发剂共价修饰碳纳米管
• 2.3.2 碳纳米管/Ag纳米复合材料
• 2.4 本章小结
• 第三章 离子液体中聚（ε-己内酯）接枝多壁碳纳米管
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料与试剂
• 3.2.2 合成羟基化多壁碳纳米管（MWNT-OH）
• 3.2.3 聚（ε-己内酯）接枝多壁碳纳米管（MWNT-g-PCL）
• 3.2.4 仪器与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 离子液体中ATRP聚合接枝多壁碳纳米管
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料与试剂
• 4.2.2 合成实验
• 4.2.3 仪器与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 超分子多聚准轮烷修饰碳纳米管
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 原料及试剂
• 5.2.2 合成羟基化碳纳米管
• 5.2.3 聚（ε-己内酯）接枝碳纳米管
• 5.2.4 α-CD与MWNT-g-PCL复合
• 5.2.5 仪器与表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 聚己内酯接枝多壁碳纳米管的合成与表征
• 5.3.2 MWNT-g-PCL与α-CD超分子复合
• 5.4 本章小结
• 全文总结
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表学术论文
• 附录2 攻读硕士学位期间参与科研项目
• 致谢