具有核壳结构的多壁碳纳米管/聚苯胺一维纳米复合材料

论文摘要

碳纳米管/共轭聚合物间的协同效应,可望将碳纳米管优异的光电性能、机械性能、热稳定性与共轭聚合物优良的成膜性、光电性能有机地结合起来,得到综合性能更为优越的功能材料。但为了改善碳纳米管在聚合物体系中的分散性和相容性,常对其进行浓硫酸、浓硝酸等氧化预处理,而这种高温强酸处理会导致碳纳米管的断裂,弱化了碳纳米管的大的长径比及其超高强的机械性能和良好的电学性能等独特特征。本论文采用低功率超声辅助盐酸回流技术,对多壁碳纳米管进行分散处理。研究表明浓盐酸处理可以有效地减少商品化碳纳米管中的杂质,同时很好地保留了多壁碳纳米管的较大长径比。没有缺陷的碳纳米管在氧化过程中不易发生断裂与损伤,而缺陷较多的管壁将被层层剥离直至表面结构完整。在功率为90W的低功率超声辐照条件下,经反应温度为70℃,处理时间为15h处理后的多壁碳纳米管的表面微结构规整性明显改善。以这种缺陷较少的多壁碳纳米管为模板,采用高功率超声辅助原位化学氧化聚合方法,借助碳纳米管和聚苯胺之间强的π-π*共轭相互作用,制备出具有核壳结构的碳纳米管/聚苯胺一维纳米复合材料;合理地选择碳纳米管和苯胺单体质量配比,可以使碳纳米管/聚苯胺复合材料中聚苯胺壳层更具有规整度和取向性,并可调控碳纳米管/聚苯胺复合材料的聚苯胺壳层厚度。当碳纳米管与苯胺的质量比为2:1时,所生成的聚苯胺可完全均匀包覆在碳纳米管上,聚苯胺包覆层厚度约为15～20nm,此时材料的热稳定性和导电性能最好,导电率可达到28.46（Ω·cm）-1。先后采用盐酸、氨水、对甲基苯磺酸对上述复合体系进行掺杂一脱掺杂一二次掺杂,研究发现在盐酸介质中,聚苯按与碳纳米管之间存在强烈的π-π*共轭作用,使聚苯胺紧密包覆在多壁碳纳米管表面,形成比较有序的、均匀包覆的核壳微结构。当用氨水对其脱掺杂时,电荷重新分布,聚苯胺的构象发生变化,减弱了聚苯胺与碳纳米管之间的共轭作用,聚苯胺低聚物从碳纳米管上脱落,导致碳纳米管表面出现结构疏松的聚苯胺的缠绕。当采用对甲基苯磺酸对复合材料进行二次掺杂后,我们再次得到结构规整的碳纳米管/聚苯胺纳米复合材料。二次掺杂的复合体系的初始分解温度为248℃,比盐酸掺杂的复合体系要高出68℃。有关不同掺杂状态下,碳纳米管对聚苯胺的电子离域的独特贡献值得我们进一步关注。研究掺杂效应对碳纳米管/聚苯胺核壳结构的影响,有助于我们探索改善复合材料的物理性能的有效途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管简介
• 1.2.1 碳纳米管的结构
• 1.2.2 碳纳米管的缺陷
• 1.2.3 碳纳米管的制备与纯化
• 1.2.4 碳纳米管的特殊性质及应用
• 1.3 碳纳米管的功能化
• 1.3.1 碳纳米管的共价化学修饰
• 1.3.2 碳纳米管的非共价化学修饰
• 1.4 共轭聚合物
• 1.4.1 共轭聚合物的掺杂
• 1.4.2 聚苯胺
• 1.4.3 碳纳米管/共轭聚合物复合材料研究现状
• 1.5 本论文的研究思路和技术路线
• 1.5.1 研究思路
• 1.5.2 研究内容
• 参考文献
• 第二章 多壁碳纳米管的表面处理
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料与仪器
• 2.2.2 测试与表征
• 2.2.3 低功率超声辐照条件下碳纳米管的强酸处理
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 不同酸介质处理对MWNT表面结构的影响
• 2.3.2 低功率超声辅助的浓盐酸处理时间对MWNI、表面结构的影响
• 2.3.2.1 微观形貌观察
• 2.3.2.2 红外光谱分析
• 2.3.2.3 拉曼光谱分析
• 2.3.2.4 作用机制探讨
• 2.3.2.5 热失重分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 多壁碳纳米管/聚苯胺一维纳米核壳结构复合材料的制备与表征
• 3.1 引言
• 3.2 MWNT/PANI核壳结构一维纳米复合材料的制备与表征
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.1.1 试剂与仪器
• 3.2.1.2 MWNT/PANI复合材料的制备
• 3.2.1.3 测试与表征仪器
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.2.2.1 复合材料的微观形貌
• 3.2.2.2 复合材料的微结构分析
• 3.2.2.3 复合体系中聚苯胺的聚集结构
• 3.2.2.4 一维核壳结构形成的机理探讨
• 3.2.2.5 复合材料的导电性能测试
• 3.3 壳层厚度可控的MWNT/PANI核壳结构复合材料的制备与表征
• 3.3.1 实验部分
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.3.2.1 MWNT/PANI复合材料的微观形貌
• 3.3.2.2 MWNT/PANI复合材料的微结构分析
• 3.3.2.3 MWNT/PANI复合材料的热稳定性能
• 3.3.2.4 MWNT/PANI复合材料的导电.生能
• 3.4 碳纳米管的类型对碳纳米管/聚苯胺复合材料核壳结构的影响
• 3.4.1 实验部分
• 3.4.2 结构表征与分析
• 3.4.2.1 红外光谱分析
• 3.4.2.2 拉曼光谱分析
• 3.4.2.3 热失重分析
• 3.4.2.4 材料的电导率
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 掺杂效应对多壁碳纳米管/聚苯胺一维纳米复合材料核壳结构与性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料的原位掺杂与脱掺杂
• 4.2.1 实验部分
• 4.2.2 结构表征与性能测试
• 4.2.2.1 导电性能测试
• 4.2.2.2 复合材料的微观形貌
• 4.2.2.3 红外光谱分析
• 4.2.2.4 拉曼光谱分析
• 4.2.2.5 热失重分析
• 4.2.2.6 XRD分析
• 4.3 多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料的TSA二次掺杂
• 4.3.1 实验部分
• 4.3.2 结构表征与性能测试
• 4.3.2.1 掺杂效应对MWNT/PANI复合材料微结构的影响
• 4.3.2.2 掺杂效应对MWNT/PANI复合材料热稳定性能的影响
• 4.3.2.3 掺杂效应对MWNT/PANI复合材料电导率的影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结 论
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录