水溶性碳纳米管的制备及其初步应用

论文摘要

碳纳米管具有独特的结构和优异的物理化学性能,在材料科学、生物医药、储氢材料、催化剂载体等领域有着巨大的应用前景,受到了广泛的关注。然而,碳纳米管相互间存在较强的范德华作用力使其不能在溶剂中稳定分散,与其他材料的相容性也不好,这是制约碳纳米管研究和应用的一个主要障碍。因此,对碳纳米管进行改性以提高其在溶剂中的分散性,具有十分重要的理论和现实意义。尤其是水溶性碳纳米管,因其在水处理和生物医药领域的诱人应用前景,更是受到了广泛的关注和研究。迄今为止,已经报道了多种改性碳纳米管的方法,一般可划分为非共价键改性和共价键改性两大类。共价键改性不仅能提高碳纳米管在溶剂中的分散性以及与其他材料的相容性,而且化学官能团的引入也赋予了碳纳米管新的性能,扩大了碳纳米管的应用范围。本文通过自由基反应和碱性条件下的水热反应制备了羧基改性的碳纳米管和羟基改性的碳纳米管;以活泼的羧基和羟基作为靶点,对碳纳米管进行进一步官能化,赋予碳纳米管磁响应性及环境（pH和热）响应性;对制备的改性碳纳米管在水处理和生物医药方面的应用进行了初步研究,并取得了良好的实验结果。主要研究结果如下:1.通过自由基引发剂偶氮二异丁腈（AIBN）与碳纳米管之间的自由基反应,制备了氰基改性的碳纳米管,再经过水解反应,得到了羧基改性的碳纳米管。利用碳纳米管表面的羧基与表面氨基修饰的SiO2包磁纳米粒子发生酰胺化反应,得到了SiO2包磁纳米粒子修饰的碳纳米管,研究了其在水中痕量芳环化合物分离方面的应用。2.利用表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）辅助碳纳米管在水中分散,通过自由基聚合反应制备了聚丙烯腈改性的碳纳米管,再经过水解得到聚丙烯酸改性的碳纳米管。可以通过调节单体和引发剂的投料比来控制聚丙烯酸的接枝量,最大接枝量可达40wt%左右。由于聚丙烯酸的存在,碳纳米管在水中的分散性可以通过改变溶液的pH值来调节,临界pH分散值为5.0。3。通过碱性条件下的水热反应,制备了羟基直接改性的碳纳米管。制备的羟基改性的碳纳米管在水、甲醇、丁酮和四氢呋喃等极性溶剂中具有良好的分散能力。XPS测试结果证明羟基的含量随着所用碱液浓度的升高而增加;红外测试结果证明了羟基主要以半酮缩醛结构存在;透射电镜照片显示经过碱性条件下的水热反应后,碳纳米管的长度和直径没有变化。4.利用碳纳米管表面的羟基,通过Ce（Ⅳ）离子引发氧化还原聚合反应在水溶液环境和较低温度（50℃或室温）条件下制备了PAA和PNIPAM改性的碳纳米管。聚合物的接枝量随着单体投料量的增加而增加。制备的PAA改性的碳纳米管在水中的分散性可以通过调节溶液的pH值来调节;PNIPAM改性的碳纳米管在水中的分散性可以通过调节温度来调节。5.通过水相化学共沉淀方法制备了磁性Fe3O4纳米粒子修饰的碳纳米管。制备的磁性Fe3O4纳米粒子修饰的碳纳米管对抗肿瘤药物吉西他滨有良好的吸附作用,研究了其在淋巴示踪和淋巴靶向药物载体方面的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 碳纳米管的结构与性质
• 1.1.1 碳纳米管的结构
• 1.1.2 碳纳米管的性质
• 1.2 碳纳米管的制备方法
• 1.3 碳纳米管的改性
• 1.3.1 非共价键改性碳纳米管
• 1.3.1.1 表面活性剂非共价键改性碳纳米管
• 1.3.1.2 芳环化合物非共价键改性碳纳米管
• 1.3.1.3 聚合物非共价键改性碳纳米管
• 1.3.1.4 淀粉非共价键改性碳纳米管
• 1.3.1.5 环糊精非共价键改性碳纳米管
• 1.3.1.6 生物分子非共价键改性碳纳米管
• 1.3.2 共价键改性碳纳米管
• 1.3.2.1 小分子功能基团改性碳纳米管
• 1.3.2.2 环加成反应改性碳纳米管
• 1.3.2.3 自由基反应改性碳纳米管
• 1.3.2.4 聚合物对碳纳米管的改性研究进展
• 1.4 碳纳米管的应用
• 1.4.1 增强聚合物材料
• 1.4.2 电学材料
• 1.4.3 碳纳米管在生物医药方面的应用
• 1.4.3.1 碳纳米管的生物毒性
• 1.4.3.2 碳纳米管在生物医药分子传输方面的应用
• 1.5 论文研究工作设计
• 参考文献
• 第二章 通过含腈基小分子引发剂制备羧基改性碳纳米管
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料和试剂
• 2.2.2 羧基改性碳纳米管
• 2包磁纳米粒子'>2.2.3 表面氨基修饰的SiO₂包磁纳米粒子
• 2包磁纳米粒子改性的碳纳米管'>2.2.4 SiO₂包磁纳米粒子改性的碳纳米管
• 2.2.5 水中痕量芳环化合物分离
• 2.2.6 测试仪器与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 羧基改性碳纳米管的制备
• 2包磁纳米粒子改性碳纳米管的制备'>2.3.2 SiO₂包磁纳米粒子改性碳纳米管的制备
• 2.3.3 MS-MWNTs在水中痕量芳环化合物分离方面的应用
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 通过丙烯腈乳液聚合制备PAA改性碳纳米管
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料和试剂
• 3.2.2 聚丙烯腈改性碳纳米管的制备
• 3.2.3 聚丙烯酸改性碳纳米管的制备
• 3.2.4 测试仪器与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 SDBS用量对碳纳米管分散性的影响
• 3.3.2 聚丙烯酸改性单壁碳纳米管的表征
• 3.3.3 AN/AIBN投料比对聚丙烯酸接枝率的影响
• 3.3.4 反应机理的探讨
• 3.3.5 pH响应性研究
• 3.3.6 聚丙烯酸改性的多壁碳纳米管
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 水热法高效制备羟基改性碳纳米管
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料和试剂
• 4.2.2 羟基直接改性碳纳米管的制备
• 4.2.4 测试仪器与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 羟基改性碳纳米管的分散性
• 4.3.2 羟基改性碳纳米管的红外表征
• 4.3.3 碱液浓度对改性羟基量的影响
• 4.3.4 羟基与酰氯的反应
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 基于羟基碳纳米管的亲水性聚合物接枝
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 原料和试剂
• 5.2.2 PAA改性碳纳米管的制备
• 5.2.3 PNIPAM改性碳纳米管的制备
• 5.2.4 PAM改性碳纳米管的制备
• 5.2.5 测试仪器与表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 PAA改性的碳纳米管
• 5.3.2 PNIPAM改性的碳纳米管
• 5.3.3 PAM改性的碳纳米管
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 亲水性碳纳米管的功能修饰及其作为淋巴示踪剂和淋巴靶向药物载体的初步应用
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 原料和试剂
• 6.2.2 制备磁性纳米粒子修饰的碳纳米管（MS-MWNTs）
• 6.2.3 制备磁性纳米粒子修饰的活性碳（MS-C）
• 6.2.4 MS-MWNTs和MS-C的淋巴示踪效应
• 6.2.5 MS-MWNTs和MS-C的淋巴靶向药物传输
• 6.2.6 统计方法
• 6.2.7 测试仪器与表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 吉西他滨的标准曲线
• 6.3.2 磁性纳米粒子修饰的碳纳米管
• 6.3.3 MS-MWNTs的淋巴示踪效应
• 6.3.4 MS-MWNTs的淋巴靶向药物传输
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 全文结论
• 论文发表情况
• 专利申请情况
• 致谢