多壁碳納米管分散性研究

1、研究論文多壁碳納米管分散性研究張麗霞，齊魯（天津工業(yè)大學(xué)功能纖維研究所，天津市改性與功能纖維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津）摘要：通過對多壁碳納米管的改性研究，尋找提高碳納米管分散性的途徑。采用對碳納米管進(jìn)行預(yù)處理，通過、分析表明，該處理過程對去除多壁碳納米管中雜質(zhì)和提高其分散性有積極效果。通過和的混酸處理法與處理法的對比，知前者對碳納米管的損失要大于后者，且通過對的對比分析，后者對碳納米管的改性效果好于前者。、分析表明，聚乙烯醇均勻包覆在碳納米管表面，碳納米管分散性較酸處理的有所改進(jìn)。關(guān)鍵詞：多壁碳納米管；分散；堿處理；酸處理；聚乙烯醇包覆中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：（）碳納米管自年被發(fā)現(xiàn)以來，以碳

2、納米管化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于一般的有機(jī)溶劑和水，限制了對其進(jìn)一步研究工作的開展；（）碳納米管屬于納米級微粒，導(dǎo)致其非常容易團(tuán)聚，團(tuán)聚后的粒子已不是納米級，故而就失去納米級時諸多獨(dú)特的物理化學(xué)性能。研究者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳納米管發(fā)生斷裂時，其斷口的碳原子具有很高的活性，容易被氧化成羧基基團(tuán)。利用這一特性，可以將羧基化的碳納米管通過一系列化學(xué)反應(yīng)使之表面接上所需的基團(tuán)或大分子，以解決其純化和分散問題，促進(jìn)納米技術(shù)的快速發(fā)展。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)及良好的電性能和機(jī)械性能吸引了眾多的研究者。它的直徑只有幾個到幾十個納米，長度為微米到毫米量級。理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明，碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能，彈性模量可達(dá)

3、，約為鋼的倍；彈性應(yīng)變約，最高可達(dá)，約為鋼的倍，密度僅為鋼的。碳納米管具有良好的導(dǎo)電性，若將其加入到高分子材料中，可使高聚物的電阻降低三個數(shù)量級以上；采用直徑為的碳納米管制備厚度為的薄膜電極，在不同頻率下，比電容達(dá)到或極。碳納實(shí)驗(yàn)多壁碳納米管（）：中國科學(xué)院成都有米管的尖端具有納米尺度的曲率，是極佳的發(fā)射電。在掃描探針顯微技術(shù)中，若將碳納米管用作掃描探針，將極大提高分辨率。同時，用碳納米管來儲氫，也已成為目前研究的一個熱點(diǎn)問題。但是，由于以下三方面的原因，極大限制了碳納米管優(yōu)異性能的發(fā)揮：（）碳納米管的三種主要制備方法（石墨電弧法、激光蒸發(fā)法及化學(xué)氣相沉積法）所制備的碳納米管含有相當(dāng)數(shù)量的雜質(zhì)

4、，嚴(yán)重影響了碳納米管的性能研究和實(shí)際應(yīng)用；收稿日期：修回日期：實(shí)驗(yàn)藥品與儀器機(jī)化學(xué)研究所，化學(xué)氣相沉積法制備，管徑）：，純度；硝酸（，分析純；硫酸（）：，分析純；氫氧化鈉（）：分析純；十二烷基硫酸鈉（）：天津市標(biāo)準(zhǔn)科技有限公司，分析純；聚乙烯醇（）：天津市標(biāo)準(zhǔn)科技有限公司，化學(xué)純，聚合度；乙酸乙烯酯（）：天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所，分析純，堿洗減壓蒸餾后使用；無水乙醇：天津市標(biāo)準(zhǔn)科技有限公司，分析（）完整的作者簡介：張麗霞（），在讀碩士，研究方向?yàn)楣δ芾w維。合成纖維研究論文純；甲醇：天津市標(biāo)準(zhǔn)科技有限公司，分析純；乳化劑：天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所，化學(xué)純；過硫酸鉀（）：天津標(biāo)準(zhǔn)科技有限公司，分析

5、純，重結(jié)晶后使用。聚乙烯醇包覆酸化的本試驗(yàn)采用原位乳液聚合法制備聚乙烯醇包覆。在三口燒瓶中加入少量蒸餾水和，在下充分?jǐn)嚢枞芙夂螅尤爰t外光譜儀：德國公司；綜合熱分析儀：德國公司；日立掃描電子顯微鏡。、充分?jǐn)嚢柚镣该髂z狀液后，先加入，再加入攪拌至均勻溶解，最后加入緩慢攪拌純化處理堿處理將新配制的（）緩慢倒入盛有的圓底燒瓶中，加熱回流后自然冷卻至室溫。離心、蒸餾水洗，離心取上層清液檢測值，如此重復(fù)多次直至上層清液顯示中性，然后過濾得固體粉末。將其置入蒸發(fā)皿中并加入少量無水乙醇，于在普通干燥箱中干燥后，再置入真空干燥箱中干燥，得樣品，形成預(yù)聚體。升溫至，并緩慢滴加入，同時補(bǔ)加蒸餾水，最后將加入反應(yīng)器

6、內(nèi)。物料全部添加完畢后，將反應(yīng)溫度升至，并恒溫保持。冷卻至室溫后，將乳液倒入預(yù)先配制的飽和溶液中破乳，用布氏漏斗過濾沉淀，并用蒸餾水洗滌次，真空干燥。將產(chǎn)物置入甲醇溶液中，并加入，在恒溫反應(yīng)，用布氏漏斗過濾所得的灰色沉淀，用甲醇洗滌次，真空干燥，得樣品。，收率為。樣品熱處理樣品經(jīng)熱重分析得知其最佳煅燒溫度為結(jié)果與討論圖為堿處理前后的照片。通。將樣品置入馬弗爐中，在最佳煅燒溫度下熱處理，得樣品，收率。堿處理的效果過比較得知，圖的黑色區(qū)域較圖明顯，圖氧化處理混酸處理按體積比配制濃和濃的混酸溶液，將混酸緩慢倒入盛有樣品管壁上也附著黑色顆粒狀物質(zhì)，而圖碳納米管清晰可見，分散狀況好于圖。由此可知，用堿對

7、預(yù)處理，一方面可部分去除碳納米管制備過程中的金屬催化劑和金屬氧化物以及無定形炭等雜質(zhì)；另一方面可使的分散度提高。的圓底燒瓶中，經(jīng)超聲處理后，將圓底瓶在恒溫攪拌反應(yīng)，自然冷卻至室溫。離心倒出上層清液，用大量去離子水水洗，再次離心取上層清液檢測值，如此重復(fù)多次至清液為中性，然后過濾得固體粉末。將其置入蒸發(fā)皿中并加入少量無水乙醇，于在普通干燥箱中干燥后，再真空干燥，得樣品，收率。硝酸處理將新配制的（）溶液緩慢倒入盛有樣品的圓底燒瓶內(nèi)，超聲處理，在恒溫攪拌反應(yīng)，冷卻至室溫。離心倒出上層清液，用大量去離子水洗，再次離心取上層清液檢測值，如此重復(fù)多次至清液為中性，然后過濾得固體粉末。將其置入蒸發(fā)皿中并加入

8、少量無水乙醇，于在普通干燥箱中干燥后，再真空干燥，得樣品，收率。堿處理前堿處理后圖堿處理前后的照片圖為堿處理前后的曲線。通過比較得出，未處理前大約在時燃燒（氧化）速率達(dá)到最大；而堿處理后的約在時燃燒速率最大。由此可知，經(jīng)堿處理合成纖維研究論文后，由于之間雜質(zhì)減少，使得雜質(zhì)燃燒釋放熱量減少，造成燃燒峰向高溫移動。因此，可以證明堿處理實(shí)現(xiàn)了去除雜質(zhì)的目的。果氧原子與一個上的碳原子結(jié)合，就可能形成，并導(dǎo)致破損或斷裂，一方面使得細(xì)化，另一方面使得斷口處的碳原子由于不飽和而活性提高。一個氧原子與一個碳原子結(jié)合可能在上形成一個!并進(jìn)而與水中的、以及自由氧等結(jié)合形成，也可能會形成一個，從而得到羥基。從氧化過

9、程分析，、等一般產(chǎn)生在的端口或破損斷裂處，其絕對數(shù)量不會太多。處理后的分散性比較分別取原、堿處理、混酸化圖堿處理前后的曲線、硝酸化各，置于水中，超聲處理，靜置觀察。后，原處理后的紅外光譜分析圖為經(jīng)過堿處理、混酸及硝酸化處理的出現(xiàn)明顯分層，上層為澄清透明液，下層沉積物為黑色；堿處理的燒杯底部有大部分沉積物，但上層液體呈現(xiàn)渾濁狀，說明還有少部分懸浮在水中；混酸化的紅外光譜圖。對比它們的譜圖發(fā)現(xiàn)，三者紅外吸收有明顯的差別。從圖（）可以看出，堿處理后的（樣品）到明顯的羥基吸收峰；圖（）僅在和中（樣品處出現(xiàn)了微弱的羰基吸收峰，沒有觀察）在和處羰基吸收峰的強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，在處出現(xiàn)了明顯寬而強(qiáng)的羥基吸收峰；圖

10、（）中（樣品）的羥基吸收峰均較（）在與硝酸化情況基本相同，大量以懸浮狀態(tài)存在于水中，只有少量發(fā)生沉積。天后，原和堿處理清晰分層，完全沉積；而兩種經(jīng)酸化的則無變化，仍以懸浮態(tài)存在。由此可知，未經(jīng)聚合物包覆的在水中分散性依次為，酸化的堿處理的原。分別取原、堿處理、混酸化和處羰基吸收峰以及處顯著增強(qiáng)。觀察譜圖還可以發(fā)現(xiàn)，種樣品在附近都出現(xiàn)了特征吸收，可認(rèn)為這些特征吸收的形成是由于、硝酸化、包覆各置于乙醇中，超聲處理，靜置觀察。數(shù)小時后，原、堿處理、混酸化和硝酸化的燒杯出現(xiàn)清晰分層，上層為澄清透明乙醇液，下層為黑色沉積物；而經(jīng)包覆的燒杯呈現(xiàn)黑色懸浮液狀態(tài)，可知由于大量懸浮于乙醇液體中而造成。該懸浮液經(jīng)

11、數(shù)天靜置后，懸浮狀態(tài)基本無變化。由此可知，包覆的比未經(jīng)的骨架伸縮振動本上沒有被破壞。造成的。由此預(yù)示著的整體結(jié)構(gòu)在以上種處理過程中基包覆的在乙醇中的分散性明顯提高。處理前后的分析圖為處理前后的熱失重曲線。圖中圖的紅外光譜圖可見，（）曲線只出現(xiàn)一個失重臺階，失重開始（）曲線有兩個失重臺階，失重分析表面羧基產(chǎn)生的過程：在加溫度；熱條件下，濃硝酸將分解，放出和自由氧。如開始溫度分別為和。（）曲線表明合成纖維研究論文在開始少量燃燒，到接近時完全燃燒；（）曲線的第一個失重臺階是包覆在表面的聚乙烯醇引起，第二個失重臺階是的燃燒引起。堿處理硝酸處理聚乙烯醇包覆圖處理后的照片散性的有效途徑。經(jīng)、檢測分析表明，

12、以上三種方法在碳納米管分散性方面改進(jìn)程度依次為：堿預(yù)處理酸處理聚合物包覆處理。參考文獻(xiàn)，：圖處理與未處理的黎沙泥，許向等碳納米管的表面修飾及其在聚合物中的應(yīng)用工程塑料應(yīng)用，（）：處理后的分析圖為經(jīng)堿處理、硝酸處理和聚乙烯醇包覆處理的照片。由圖可知，（）顯示經(jīng)堿處理后，內(nèi)腔清晰可見，有部分相互纏繞及少量雜質(zhì)的存在（圖中的黑色區(qū)域?yàn)殡s質(zhì)）；（）圖顯示分散性明顯較（）好，且基（）（）本沒有雜質(zhì)的存在，單根清晰分明；顯示單根的直徑明顯大于前兩圖，錢蘭，江奇等硼摻雜對碳納米管形貌和電磁性能的影響功能材料，（）：周俊哲，王崇愚摻硅對封閉碳納米管尖端幾何及電子結(jié)構(gòu)影響的第一原理研究科學(xué)通報，（）：張洋，馬榴強(qiáng)聚合物制備工程北京：中國輕工業(yè)出版社，：曹同玉，劉慶普，胡金生聚合物乳液合成原理性能及應(yīng)用北京