多壁碳纳米管分散性研究

1、研究论文多壁碳纳米管分散性研究张丽霞，齐鲁（天津工业大学功能纤维研究所，天津市改性与功能纤维重点实验室，天津）摘要：通过对多壁碳纳米管的改性研究，寻找提高碳纳米管分散性的途径。采用对碳纳米管进行预处理，通过、分析表明，该处理过程对去除多壁碳纳米管中杂质和提高其分散性有积极效果。通过和的混酸处理法与处理法的对比，知前者对碳纳米管的损失要大于后者，且通过对的对比分析，后者对碳纳米管的改性效果好于前者。、分析表明，聚乙烯醇均匀包覆在碳纳米管表面，碳纳米管分散性较酸处理的有所改进。关键词：多壁碳纳米管；分散；碱处理；酸处理；聚乙烯醇包覆中图分类号：文献标识码：文章编号：（）碳纳米管自年被发现以来，以碳

2、纳米管化学性质稳定，不溶于一般的有机溶剂和水，限制了对其进一步研究工作的开展；（）碳纳米管属于纳米级微粒，导致其非常容易团聚，团聚后的粒子已不是纳米级，故而就失去纳米级时诸多独特的物理化学性能。研究者发现，当碳纳米管发生断裂时，其断口的碳原子具有很高的活性，容易被氧化成羧基基团。利用这一特性，可以将羧基化的碳纳米管通过一系列化学反应使之表面接上所需的基团或大分子，以解决其纯化和分散问题，促进纳米技术的快速发展。其独特的结构、物理化学性质及良好的电性能和机械性能吸引了众多的研究者。它的直径只有几个到几十个纳米，长度为微米到毫米量级。理论计算和试验结果表明，碳纳米管具有优异的力学性能，弹性模量可达

3、，约为钢的倍；弹性应变约，最高可达，约为钢的倍，密度仅为钢的。碳纳米管具有良好的导电性，若将其加入到高分子材料中，可使高聚物的电阻降低三个数量级以上；采用直径为的碳纳米管制备厚度为的薄膜电极，在不同频率下，比电容达到或极。碳纳实验多壁碳纳米管（）：中国科学院成都有米管的尖端具有纳米尺度的曲率，是极佳的发射电。在扫描探针显微技术中，若将碳纳米管用作扫描探针，将极大提高分辨率。同时，用碳纳米管来储氢，也已成为目前研究的一个热点问题。但是，由于以下三方面的原因，极大限制了碳纳米管优异性能的发挥：（）碳纳米管的三种主要制备方法（石墨电弧法、激光蒸发法及化学气相沉积法）所制备的碳纳米管含有相当数量的杂质

4、，严重影响了碳纳米管的性能研究和实际应用；收稿日期：修回日期：实验药品与仪器机化学研究所，化学气相沉积法制备，管径）：，纯度；硝酸（，分析纯；硫酸（）：，分析纯；氢氧化钠（）：分析纯；十二烷基硫酸钠（）：天津市标准科技有限公司，分析纯；聚乙烯醇（）：天津市标准科技有限公司，化学纯，聚合度；乙酸乙烯酯（）：天津市光复精细化工研究所，分析纯，碱洗减压蒸馏后使用；无水乙醇：天津市标准科技有限公司，分析（）完整的作者简介：张丽霞（），在读硕士，研究方向为功能纤维。合成纤维研究论文纯；甲醇：天津市标准科技有限公司，分析纯；乳化剂：天津市光复精细化工研究所，化学纯；过硫酸钾（）：天津标准科技有限公司，分析

5、纯，重结晶后使用。聚乙烯醇包覆酸化的本试验采用原位乳液聚合法制备聚乙烯醇包覆。在三口烧瓶中加入少量蒸馏水和，在下充分搅拌溶解后，加入红外光谱仪：德国公司；综合热分析仪：德国公司；日立扫描电子显微镜。、充分搅拌至透明胶状液后，先加入，再加入搅拌至均匀溶解，最后加入缓慢搅拌纯化处理碱处理将新配制的（）缓慢倒入盛有的圆底烧瓶中，加热回流后自然冷却至室温。离心、蒸馏水洗，离心取上层清液检测值，如此重复多次直至上层清液显示中性，然后过滤得固体粉末。将其置入蒸发皿中并加入少量无水乙醇，于在普通干燥箱中干燥后，再置入真空干燥箱中干燥，得样品，形成预聚体。升温至，并缓慢滴加入，同时补加蒸馏水，最后将加入反应器

6、内。物料全部添加完毕后，将反应温度升至，并恒温保持。冷却至室温后，将乳液倒入预先配制的饱和溶液中破乳，用布氏漏斗过滤沉淀，并用蒸馏水洗涤次，真空干燥。将产物置入甲醇溶液中，并加入，在恒温反应，用布氏漏斗过滤所得的灰色沉淀，用甲醇洗涤次，真空干燥，得样品。，收率为。样品热处理样品经热重分析得知其最佳煅烧温度为结果与讨论图为碱处理前后的照片。通。将样品置入马弗炉中，在最佳煅烧温度下热处理，得样品，收率。碱处理的效果过比较得知，图的黑色区域较图明显，图氧化处理混酸处理按体积比配制浓和浓的混酸溶液，将混酸缓慢倒入盛有样品管壁上也附着黑色颗粒状物质，而图碳纳米管清晰可见，分散状况好于图。由此可知，用碱对

7、预处理，一方面可部分去除碳纳米管制备过程中的金属催化剂和金属氧化物以及无定形炭等杂质；另一方面可使的分散度提高。的圆底烧瓶中，经超声处理后，将圆底瓶在恒温搅拌反应，自然冷却至室温。离心倒出上层清液，用大量去离子水水洗，再次离心取上层清液检测值，如此重复多次至清液为中性，然后过滤得固体粉末。将其置入蒸发皿中并加入少量无水乙醇，于在普通干燥箱中干燥后，再真空干燥，得样品，收率。硝酸处理将新配制的（）溶液缓慢倒入盛有样品的圆底烧瓶内，超声处理，在恒温搅拌反应，冷却至室温。离心倒出上层清液，用大量去离子水洗，再次离心取上层清液检测值，如此重复多次至清液为中性，然后过滤得固体粉末。将其置入蒸发皿中并加入

8、少量无水乙醇，于在普通干燥箱中干燥后，再真空干燥，得样品，收率。碱处理前碱处理后图碱处理前后的照片图为碱处理前后的曲线。通过比较得出，未处理前大约在时燃烧（氧化）速率达到最大；而碱处理后的约在时燃烧速率最大。由此可知，经碱处理合成纤维研究论文后，由于之间杂质减少，使得杂质燃烧释放热量减少，造成燃烧峰向高温移动。因此，可以证明碱处理实现了去除杂质的目的。果氧原子与一个上的碳原子结合，就可能形成，并导致破损或断裂，一方面使得细化，另一方面使得断口处的碳原子由于不饱和而活性提高。一个氧原子与一个碳原子结合可能在上形成一个!并进而与水中的、以及自由氧等结合形成，也可能会形成一个，从而得到羟基。从氧化过

9、程分析，、等一般产生在的端口或破损断裂处，其绝对数量不会太多。处理后的分散性比较分别取原、碱处理、混酸化图碱处理前后的曲线、硝酸化各，置于水中，超声处理，静置观察。后，原处理后的红外光谱分析图为经过碱处理、混酸及硝酸化处理的出现明显分层，上层为澄清透明液，下层沉积物为黑色；碱处理的烧杯底部有大部分沉积物，但上层液体呈现浑浊状，说明还有少部分悬浮在水中；混酸化的红外光谱图。对比它们的谱图发现，三者红外吸收有明显的差别。从图（）可以看出，碱处理后的（样品）到明显的羟基吸收峰；图（）仅在和中（样品处出现了微弱的羰基吸收峰，没有观察）在和处羰基吸收峰的强度显著增强，在处出现了明显宽而强的羟基吸收峰；图

10、（）中（样品）的羟基吸收峰均较（）在与硝酸化情况基本相同，大量以悬浮状态存在于水中，只有少量发生沉积。天后，原和碱处理清晰分层，完全沉积；而两种经酸化的则无变化，仍以悬浮态存在。由此可知，未经聚合物包覆的在水中分散性依次为，酸化的碱处理的原。分别取原、碱处理、混酸化和处羰基吸收峰以及处显著增强。观察谱图还可以发现，种样品在附近都出现了特征吸收，可认为这些特征吸收的形成是由于、硝酸化、包覆各置于乙醇中，超声处理，静置观察。数小时后，原、碱处理、混酸化和硝酸化的烧杯出现清晰分层，上层为澄清透明乙醇液，下层为黑色沉积物；而经包覆的烧杯呈现黑色悬浮液状态，可知由于大量悬浮于乙醇液体中而造成。该悬浮液经

11、数天静置后，悬浮状态基本无变化。由此可知，包覆的比未经的骨架伸缩振动本上没有被破坏。造成的。由此预示着的整体结构在以上种处理过程中基包覆的在乙醇中的分散性明显提高。处理前后的分析图为处理前后的热失重曲线。图中图的红外光谱图可见，（）曲线只出现一个失重台阶，失重开始（）曲线有两个失重台阶，失重分析表面羧基产生的过程：在加温度；热条件下，浓硝酸将分解，放出和自由氧。如开始温度分别为和。（）曲线表明合成纤维研究论文在开始少量燃烧，到接近时完全燃烧；（）曲线的第一个失重台阶是包覆在表面的聚乙烯醇引起，第二个失重台阶是的燃烧引起。碱处理硝酸处理聚乙烯醇包覆图处理后的照片散性的有效途径。经、检测分析表明，

12、以上三种方法在碳纳米管分散性方面改进程度依次为：碱预处理酸处理聚合物包覆处理。参考文献，：图处理与未处理的黎沙泥，许向等碳纳米管的表面修饰及其在聚合物中的应用工程塑料应用，（）：处理后的分析图为经碱处理、硝酸处理和聚乙烯醇包覆处理的照片。由图可知，（）显示经碱处理后，内腔清晰可见，有部分相互缠绕及少量杂质的存在（图中的黑色区域为杂质）；（）图显示分散性明显较（）好，且基（）（）本没有杂质的存在，单根清晰分明；显示单根的直径明显大于前两图，钱兰，江奇等硼掺杂对碳纳米管形貌和电磁性能的影响功能材料，（）：周俊哲，王崇愚掺硅对封闭碳纳米管尖端几何及电子结构影响的第一原理研究科学通报，（）：张洋，马榴强聚合物制备工程北京：中国轻工业出版社，：曹同玉，刘庆普，胡金生聚合物乳液合成原理性能及应用北京