纳米碳管的表面修饰及其复合材料的电学性能研究

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	纳米碳管的表面修饰及其复合材料的电学性能研究
	张辉
学位类型	博士
导师	成会明
	2006-06-22
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	金属研究所
学位专业	材料学
关键词	纳米碳管表面修饰聚合物复合材料导电性
摘要	随着对纳米碳管研究的日益深入，人们更加关注纳米碳管的实际应用。纳米碳管表面修饰是实现其应用价值的主要手段之一，是将微观的纳米材料与宏观的传统材料（如聚合物等）有机地结合起来的纽带。本文主要研究了纳米碳管纯化、表面修饰以及纳米碳管/聚合物导电功能性复合材料的制备以及影响复合材料性能的主要因素。针对催化化学气相热解（CCVD）法批量生产的多壁纳米碳管提出了一种新纯化方法。通过高温热处理去除金属催化剂，并提高纳米碳管的结晶度、热稳定性。由理论计算结果并结合高分子型分散剂的空间位阻作用的原理，利用适宜浓度的分散剂选择性分散、分离石墨化纳米碳管样品中的碳纳米颗粒，得到纯度高、性能好的纳米碳管。该法具有工艺简单、纯化效率高、对纳米碳管结构破坏性小的特点，适用于CCVD法批量生产的纳米碳管。通过硝酸氧化，在纳米碳管表面引入含氧官能团，以镍盐为活化剂在纳米碳管表面的活性位发生氧化还原反应预沉积镍，再利用其自催化特性进行化学镀，得到均匀包覆镍的一维纳米复合物。该法相对于传统贵金属钯盐活化方法，具有反应步骤简化、成本低的特点。制备了纳米碳管/丙烯酸树脂复合导电涂料。系统地研究了纳米碳管的分散工艺以及影响复合导电涂料性能的主要因素。高分子型分散剂的加入可有效地改善纳米碳管悬浮液的均匀性和稳定性。采用紫外−可见光分光光度计测试手段，应用标准工作曲线的计算方法确定了分散剂的适宜使用量。发现当分散剂的加入量为30%时，分散剂在纳米碳管表面达到饱和吸附（151 mg/g），可以形成有效的空间位阻作用，得到的纳米碳管悬浮液具有较好的分散稳定性。不同纯化方法得到的纳米碳管对复合导电涂层的电学性能有显著影响。硝酸氧化作用会对纳米碳管的晶体结构造成破坏，引入氧化层，并且会短切纳米碳管，导致所得复合材料体系的渗流阈值升高（1.32 wt.%），导电性能降低。而石墨化的纳米碳管具有较高的结晶度，所得复合材料体系的渗流阈值较低（0.79wt.%），较低的添加量即可达到一定的导电要求。不同直径的纳米碳管对复合导电涂层的电学性能也有不同的作用结果。研究发现纳米炭纤维/丙烯酸树脂复合材料体系的渗流阈值为2.79 wt.%，是石墨化纳米碳管/丙烯酸树脂复合材料体系的三倍多。但在高含量范围内，纳米碳管和纳米炭纤维制备的复合材料的导电性能相差不大。通过原位聚合方法将多壁纳米碳管与导电聚合物磺化聚苯胺复合，制备出水溶性的、导电性能良好的复合材料。纳米碳管/磺化聚苯胺复合物在水中的饱和浓度为2.2 mg/ml。电镜观察表明，这种非共价键的表面修饰方法未对纳米碳管的长度、管壁结构造成破坏。采用XPS对掺杂态、脱掺杂态的磺化聚苯胺以及纳米碳管/磺化聚苯胺复合物进行了分析，得到了关于纳米碳管/磺化聚苯胺复合物氧化还原态的信息，发现由于纳米碳管的存在，导致磺化聚苯胺分子链中醌式结构含量相对较多，即纳米碳管与磺化聚苯胺之间形成了稳定的π-π相互作用。UV-vis的分析结果也证明了这一结论。
页数	150
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/16904
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	张辉. 纳米碳管的表面修饰及其复合材料的电学性能研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所,2006.