碳纳米管聚合物复合材料的研究进展.docxVIP

碳纳米管聚合物复合材料的研究进展 1991年，日本nec公司的iima通过高分辨率透射电镜分析了电极产生的电极颗粒，并发现了具有纳米尺寸的多层管，称为碳纳米管（cnts）。CNTs是一种新型的碳结构,可以形象地认为由碳六边形的石墨片按一定的螺旋度卷曲成的无缝纳米级管状结构,它的长度为几微米,而它的直径从2nm到25nm不等。根据组成的石墨片层数的不同,CNTs可分为单壁CNTs(SWNT)和多壁CNTs(MWNT)。两种形态的CNTs都显示出卓越的机械性能和力学性质,CNTs的弹性模量超过1.0TPA,与金刚石的弹性模量相等,约为钢的5倍,它的理论拉伸强度为钢的100倍,而它的密度只有钢的1/6;其弹性应变约为5%,最高可达12%,约为钢的60倍,同时它的理论拉伸强度为钢的100倍。根据CNTs螺旋性及直径的不同,CNTs可以表现出金属性和半导体性。另外,CNTs具有很高的热导率(60000W/m·k)。 CNTs以其独一无二的结构特性、超强的力学性能、独特的光电性能、比表面积大和优异的吸附性能等特性使其迅速地成为化学、材料科学等领域的一个研究热点。CNTs在复合材料领域将具有极其诱人的应用前景,近年来有许多学者将其与高分子材料进行复合,取得了一些令人瞩目的成果。文章将讨论在CNTs/聚合物复合材料研究方面所取得的进展、存在的问题、以及未来的发展方向。 1 配合物的制备 CNTs/聚合物的性能取决于以下几个因素:制备CNTs的方法、CNTs的纯化、CNTs的长径比、CNTs在聚合物中的分散和排列。 要想制备性能优异的CNTs/聚合物复合材料,必须使CNTs均匀地分散到聚合物基体中。由于CNTs不能溶解在聚合物中,因此要阻止CNTs聚集成束或缠绕会存在一定的困难。对CNTs表面进行化学修饰可以改善与提高CNTs在聚合物基体中的分散性,在化学修饰前,应对CNTs进行纯化、切割、解缠以及活化等处理。Shofner等先将SWNT氟化修饰后与聚乙烯(PE)制备成SWNT/PE复合材料。结果表明,SWNT与PE之间形成的共价键极大地改善了CNTs在PE基体中的分散性。王国建等以叠氮基团为中间体,可将由原子转移自由基聚合法(ATRP)制得的一端含叠氮基的聚苯乙烯(PS)以共价键接到CNTs的表面上,实现CNTs的表面修饰。利用叠氮基团作为中介进行高分子接枝,可以避免对CNTs进行酸处理过程中对CNTs管壁造成破坏。Rasheed等将SWNT与苯乙烯-苯酚乙烯共聚物(PSVPh)共混制备成SWNT/PSVPh复合材料,发现PSVPh之间形成的氢键可以改善SWNT在共聚物中的分散,而且SWNT的分散程度与共聚物中苯酚乙烯的含量有关,当苯酚乙烯的含量为20%时,氧化的SWNT与PSVPh之间形成的氢键可以最大程度地改善SWNT在共聚物中的分散。CNTs在聚合物中分散状况可以通过扫描电镜、透射电镜、光学显微镜成像、偏振拉曼光谱、共焦显微镜成像、UV-vis-near-IR光谱分析等技术进行评估。 目前,制备CNTs/聚合物复合材料的方法主要有包括物理共混法、原位聚合法,随着研究工作的进一步开展,CNTs/聚合物复合材料的制备方法也有了新的进展。 1.1 表面活性剂在cnts/聚合物复合材料中的应用 物理共混法主要包括溶液共混法和熔融共混法。 溶液混合法是首先将CNTs分散在适当的溶剂中,然后在一定温度下将CNTs与聚合物进行共混,最后通过蒸发、沉淀或浇铸成膜的方法制得CNTs/聚合物复合材料。通过简单的搅拌方法很难将纯化的CNTs分散在溶剂中,而高能超声波法可以将CNTs/聚合物混合在不同的溶剂中以获得CNTs/聚合物的亚稳态的悬浮液。值得注意的是长时间将CNTs置于超声波中将会缩短CNTs的长度,而减少CNTs的长径比将会对复合材料的性能产生不利的影响。 可以采用表面活性剂来分散CNTs,Islam等在低功率高频率(2W、55k Hz)的超声波条件下,将SWNT分散于表面活性剂十二烷基苯磺酸钠水溶液中,原子力显微镜观察到(63±5)%的SWNT剥落成单根的SWNT。采用表面活性剂来改善CNTs的分散引起的主要问题是表面活性剂会留在制得的CNTs/聚合物复合材料中,从而影响到复合材料的最终性能。Brying等报道在相同的CNTs的含量下,添加了表面活性剂的CNTs/环氧树脂的热导率比没有加表面活性剂的CNTs/环氧树脂的热导率要低。Sundararajan等报道表面活性剂会促使聚碳酸酯结晶,从而降低了CNTs/聚碳酸酯(PC)的透明度以及力学性能。 采用溶液共混的方法制备的CNTs/聚合物时,在缓慢的溶剂蒸发的过程中,CNTs将趋于团聚,会导致CNTs在聚合物基体中分布不均匀。Singh等首先将SWNT/PC复合材料沉积在基体上,再将SWNT/P