多壁碳纳米管类流体结构、流变及组装特性研究

论文摘要

碳纳米管类流体是一类在无溶剂条件下具有类似液体能够流动的新型纳米流体。本文通过多壁碳纳米管的酸氧化和表面有机接枝方法制备了新型多壁碳纳米管类流体,并系统研究了它们的特殊流变性和组装结构。研究发现:均匀设计法是一种高效的筛选碳纳米管酸氧化条件和进一步制备特定流变性碳纳米管类流体的方法。DC5700接枝氧化碳纳米管（DC5700-g-MCNTs）的优化反应条件为:V（碳管酸液）:V（甲醇）:V（40wt%DC5700/甲醇溶液）=1:1:0.2,60℃/2h。其中,DC5700加入碳管/浓酸溶液中能迅速产生絮凝,该现象能广泛地应用于包括CNTs,SiO2,TiO2以及Fe2O3等在内的诸多纳米粒子的液相分离和提取。因而是一类全新的高效、环保的纳米分离方法,可望在降低纳米材料对人体和环境的危害方面发挥重要作用。研究证实该絮凝方法主要基于化学和物理（范德华力和静电引力）的作用机制。实验中我们观察到了氧化碳纳米管在DC5700功能化的玻片表面的特殊组装结构:1～5μm的碳纳米管岛和宽～1μm长5～15μm的碳纳米管棒,该现象为纳米粒子的组装结构提供了新的途径。DC5700-g-MCNTs进一步和NPES反应能得到新型纳米类流体MCNTs-IL。流变性能研究证实了它在无溶剂条件下具有类液体行为。该方法有望实现难于加工的“固体”碳纳米管象普通高分子、胶体甚至液体一样进行加工。产品室温下为黑色无定形蜡状物,热稳定性较好（失重率10%时温度高达311℃）。电镜观察表明它具有垂直于碳纳米管表面的双离子层结构,厚度约为6.5nm。PEG同样能接枝到碳纳米管表面制得准一维结构的PEG-MCNTs纳米类流体。该类流体表现出不同于以往文献报道的各种0维纳米粒子类流体的特殊流变行为。即较长的PEG-MCNTs粘度大但在20-80℃范围内呈现粘性响应,但粘度较小的短PEG-MCNTs表现为固态弹性流变行为,并在56.7℃实现固-液转变。通过稳态剪切模型的研究,我们发现了碳纳米管表面功能化密度、长径比以及体积分数与碳纳米管类流体宏观流变性的定量关系式,即1/J·x=K·exp（-Ea/RT）（或a/x=K’·exp（-Ea/RT））。该关系式为特定流变行为碳纳米管类流体的制备提供了理论基础,并可以通过酸氧化碳纳米管的简单控制来实现。制得的新型特定碳纳米管类流体可望在新型传感器、纳米器件以及纳米复合材料等众多领域有重大应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstracts
• 第1章 前言
• 1.1 离子液体简介
• 1.1.1 离子液体的历史及概念
• 1.1.2 离子液体的分类、合成及特性
• 1.1.3 离子液体的应用
• 1.2 纳米粒子类流体研究进展
• 1.2.1 纳米粒子类流体的概念、优点及应用前景
• 1.2.2 纳米粒子类流体研究进展
• 1.3 碳纳米管及其类流体研究进展
• 1.3.1 碳纳米管的结构、分类及应用
• 1.3.2 碳纳米管类流体的研究进展及其应用前景
• 1.4 本文的研究目的和意义
• 第2章 碳纳米管有机离子盐的制备关键技术研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 实验仪器
• 2.1.3 多壁碳纳米管的浓酸功能化反应
• 2.1.4 多壁碳纳米管有机离子盐的制备
• 2.1.5 测试与表征
• 2.2 均匀设计确定最佳反应条件
• 2.2.1 均匀设计简介
• 2.2.2 均匀设计确定最佳氧化反应条件
• 2.2.3 浓酸功能化产物长度和表面元素分析
• 2.2.4 浓酸功能化产物化学结构分析
• 2.3 碳纳米管的有机离子盐化反应及其产物的提纯
• 2.3.1 碳纳米管的有机离子盐化反应机理
• 2.3.2 碳纳米管有机离子盐化反应条件
• 2.3.3 碳纳米管有机离子盐溶解性能
• 2.3.4 碳纳米管有机离子盐扫描电镜形貌分析
• 2.3.5 碳纳米管有机离子盐的高效分离和提纯
• 2.4 碳纳米管有机离子盐结构分析
• 2.4.1 碳纳米管有机离子盐形貌结构分析
• 2.4.2 碳纳米管有机离子盐化学结构分析
• 2.4.3 碳纳米管有机离子盐的低温DSC分析
• 2.4.4 碳纳米管离子盐组装结构
• 2.4.5 DC5700与碳纳米管反应量的理论计算
• 2.4.6 碳纳米管离子盐膜组装结构
• 2.5 小结
• 第3章 碳纳米管类流体的流变性能及其结构研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验药品
• 3.1.2 实验仪器
• 3.1.3 两种不同的多壁碳纳米管类流体的制备
• 3.1.4 测试与表征
• 3.2 碳纳米管类流体的流变性能研究
• 3.2.1 碳纳米管类流体的外观形貌和溶解性
• 3.2.2 碳纳米管类流体的温度谱
• 3.3 碳纳米管类流体的结构研究
• 3.3.1 化学结构分析
• 3.3.2 XRD分析
• 3.3.3 形貌分析
• 3.3.4 热性能分析
• 3.4 碳纳米管类流体的流动模型和机理
• 3.4.1 碳纳米管类流体的特殊流变行为
• 3.4.2 碳纳米管类流体的流动模型及机理
• 3.5 流变模型回归分析
• 3.6 小结
• 第4章 结论及展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文及专利
• 附录2 本论文主要词汇、缩略语及中英文对照表
• 附录3 第2章均匀设计建模分析
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• 附录4 相关系数显著性检验表