水溶性碳納米管的制備及其應(yīng)用研究.pdf

1、混合使用兩種或多種納米填料是獲取性能優(yōu)異聚合物納米復(fù)合材料的一種有效手段，但如何強(qiáng)化混合填料的協(xié)同效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)其有效使用則是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)性課題。已有的研究結(jié)果表明，將兩種填料先制備成納米雜化異質(zhì)結(jié)構(gòu)(nano-heterostructure)然后再將其應(yīng)用于聚合物復(fù)合材料是顯著提升混合填料“協(xié)同效應(yīng)”的有效實(shí)施方案?；诖吮尘埃菊n題組擬以蒙脫土(MMT)和單壁碳納米管(SWNT)為納米填料，采用自下而上的研究思路，通過(guò)分子層級(jí)的材料設(shè)

2、計(jì)，開(kāi)展利用強(qiáng)靜電相互作用制備MMT/SWNT納米雜化材料的研究工作。MMT/SWNT納米雜化材料的成功獲取，將為今后開(kāi)展“基于MMT和SWNT混合填料的聚合物復(fù)合材料納米層級(jí)構(gòu)建”提供材料基礎(chǔ)，而本研究則著眼于雜化材料制備的前期預(yù)研工作，即“水溶性碳納米管的制備及其應(yīng)用研究”。
　　考慮到天然MMT（如Na+-MMT）的表面負(fù)電特性，改性SWNT在獲取水溶性的同時(shí)還應(yīng)具有表面正電特性，以提供其與Na+-MMT間產(chǎn)生強(qiáng)靜電相互作用

3、的基礎(chǔ)。為此，本研究通過(guò)化學(xué)接枝方法在SWNT表面引入了烷基季銨鹽結(jié)構(gòu)。所得改性碳納米管(N+-SWNT)表現(xiàn)出了良好的水溶解特性，能夠以單根管或較小管束的形式均勻、穩(wěn)定地分散在純水中，飽和濃度可達(dá)111.1mg.L-1。更重要的是，干燥后的N+-SWNT能夠在水中再分散，可循環(huán)使用，這一優(yōu)勢(shì)是其它已報(bào)道的常用水溶性SWNT所不具備的。
　　在成功獲取N+-SWNT后，采用簡(jiǎn)單易行的物理混合方法制備了MMT/SWNT雜化納米材料，

4、并研究了不同原料配比對(duì)雜化材料形態(tài)結(jié)構(gòu)與產(chǎn)率的影響。結(jié)果表明，在MMT/S WNT=20∶1～5∶1的較寬范圍內(nèi)，均能獲取具有期待結(jié)構(gòu)的雜化納米材料。如以雜化材料的產(chǎn)率以及實(shí)用性做為衡量指標(biāo)，最佳原料投料比確定為MMT/SWNT=10∶1。隨后，以雜化納米粒子為原料，采用研磨法制備了雜化材料水凝膠。研究發(fā)現(xiàn)，在適量水存在下，MMT/SWNT雜化粒子依靠靜電和弱氫鍵作用能夠形成3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，宏觀上表現(xiàn)出一定的彈性行為特征，即形成了水凝膠，

5、水含量介于75-90wt％。
　　此外，本研究還以N+-SWNT為納米填料、水溶性聚乙烯醇(PVA)為基體樹(shù)脂，探究了N+-SWNT在復(fù)合材料中的具體應(yīng)用。親水性的烷基季銨鹽結(jié)構(gòu)使得N+-SWNT不僅能夠在PVA基體樹(shù)脂中均勻分散，而且獲得了良好的N+-SWNT/PVA界面結(jié)合，所得復(fù)合材料因此獲得了大幅提高的物理機(jī)械性能。在僅加入0.3wt％的N+-SWNT后，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與楊氏模量就分別達(dá)到了99.3±6.3 MPa與4