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碳纳米管的改性

发布时间:2021-04-17 浏览数:278

碳纳米管自发现以来,由于其独特的结构和奇特的物理,化学和力学特性以及其潜在的应用前景而倍受人们的关注。碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)于1991年由NEC(日本电气)筑波研究所的饭岛澄男(Sumio Iijima)首次发现。由于其优良的电磁性能、力学性能、光学性能和热性能等,激起了人们的极大兴趣,迅速成为继 C60之后最热门的碳纳米材料。

碳纳米管在溶剂中分散性差、加工操作困难,这极大地限制了它的应用,因而需要通过表面改性来提高它的溶解性和分散性。而且通过化学或物理的方法还可以将其他功能性基团或材料复合到碳管的表面制备多功能性材料。所以,碳纳米管的功能化改性是非常重要的一个研究领域。

一物理法改性

采用物理的方法使碳纳米管晶格发生位移,内能增大,内能增大后的碳纳米管易与介质发生反应,在机械力或磁力作用下活性炭纳米管的体表面与介质发生反应、吸附,达到表面改性的目的。

1高能机械研磨

利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒,通过研具与工件在高压力作用下的相对运动对碳纳米管表面进行改性加工。该法使碳纳米管表面形成晶格缺陷或晶格扭曲,从而得到高活性自由基,使碳纳米管易于与其他材料发生反应。

缺点是在研磨过程中不易控制,在形成晶格缺陷的同时容易导致碳纳米管的长度过短,失去原始碳纳米管具有的性能。

2高能球磨法

用球磨机的转动或振动使硬球对碳纳米管进行强烈的冲击、研磨和搅拌,最终使碳纳米管表面形成晶格缺陷,得到改性。

缺点是容易在样品中混入硬球成分的杂质,难以分离。

3超声振荡法

利用超声波的高频声波产生振荡,使碳纳米管在介质中进行分散,碳纳米管在介质中分散程度的好坏直接影响碳纳米管的性能与应用效果。

二化学法改性

利用化学方法引入具有活性的羧基、羟基、氨基等功能团,功能团的引入使得碳纳米管表面的化学性质发生了显著的转变,从而为后续的反应提供了改性的活性点。

1酸处理法

利用碳纳米管的端头及弯折处易被氧化断裂,同时转化为羧基、羟基的特点,采用浓酸或者稀酸处理,使其两端或弯折处开口,引入羟基、羧基等官能团,如图所示,进而增大碳纳米管与溶质间的亲和力,提高其在溶质中的分散性。

2偶联剂法

选用分子结构一端和碳纳米管结构相似另一端和要结合的材料结构相似的分子作为偶联剂,一端与碳纳米管牢牢结合,另一端与要复合的材料分子结合。这种修饰方法不会对碳纳米管本身的结构造成破坏,从而可以得到结构完整的经修饰的碳纳米管。

3化学镀法

化学镀是近年来被大量研究应用的一种在材料表面制备连续致密包覆层的方法,具有操作方便、工艺简单、镀层均匀、孔隙率小、外观良好等特点。因其不用外加电源,凡是镀液能浸到的地方,包括微小孔、盲孔都可以得到均匀的镀层, 所以在碳纳米管上也拥有优良的包覆性。

4高能射线辐照法

高能射线指离子束、电子束、γ射线等含有高能量的射线,当这些高能射线照射到碳纳米管上的时候,轰击碳纳米管击出碳原子,碳原子停留在晶格的间隙位置上产生间隙原子,在它原来的平衡位置则留下一个空位。当轰击粒子动能足够大时,导致碰撞级联效应,无序结构增加。多数空位和间隙原子可能相互复合而彼此退火,但仍有少数原子作为间隙原子而造成晶格进一步缺陷。辐射也可以引起碳原子的溅射,溅射出来的碳原子沉积在碳纳米管的外壁上形成一层无定形碳结构。

5原子转移自由基聚合法

是近年来迅速发展并有着重要应用价值的一种活性聚合技术。它源于有机化学中的原子转移自由基加成反应,利用该技术可在碳纳米管表面接入聚合物分子链,从而获得拥有某些功能特性的碳纳米管。

三联合法改性

通常单一的碳纳米管表面改性方法很难获得特定性能的改性碳纳米管,或者是需要花费大量的时间、财力,得到的改性材料效果也不够理想。如果将两种甚至多种改性方法配合使用,利用每种方法改性后所得到的功能特点,取长补短,相互结合,可得到多样化的、性能更加稳定的改性效果。

通过上述改性方法可以改善碳纳米管的分散性能,提高它与基体材料之间的相容性,并增强它们之间的相互作用。另外,通过对其进行表面修饰还可以赋予碳纳米管新的性能,实现碳纳米管的分子组装,获得各种性能优异的纳米材料,在分子电子学、纳米电子学以及纳米生物分子学等方面具有广阔的应用前景。