碳纳米管的功能化及其在复合材料中的应用分析

沈梦楠

（松辽流域水环境教育部重点实验室，吉林建筑大学，吉林长春 130118）

碳纳米管的功能化及其在复合材料中的应用分析

沈梦楠

（松辽流域水环境教育部重点实验室，吉林建筑大学，吉林长春 130118）

碳纳米管的结构独特，性能优异，而且具备可以低成本大规模的获得、良好的热稳定性以及可以调节的电子亲和力等特点，成为众多科学家关注的焦点，但是由于它不能够溶于水和有机溶剂，在实际应用方面也就受到了一定的制约，分析了碳纳米管的共价功能化、非共价功能化、和混杂功能化的修饰方法，并对其在金属基、聚合物基、陶瓷基等复合材料中的应用进行分析。

碳纳米管；功能化；复合材料；应用

1 碳纳米管概述

碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料，它于1991年被日本电子公司（NEC）饭岛博士发现。碳纳米管可以看作由单层或多层石墨片卷曲形成的无缝纳米管，由碳的五元环和六元环在端头组成的半球形封闭而成。通常单壁碳纳米管直径较小，在0.7-5nm之间，而多壁碳纳米管的管壁层数不一，直径较大。碳管是目前已经发现了的最细、最强的纤维材料之一，而且它具有较强的弹性和柔韧性，以及良好的化学稳定性和热稳定性，所以被广泛应用于增强复合性材料来改善复合材料的性能。虽然碳纳米管具有极大的理论比表面积，但因其本身的憎水性和易聚集性限制了其应用价值。因此需要对碳纳米管进行适当的改性来克服该问题。

1.1碳纳米管的功能化

碳纳米管的功能化，是指在制备复合材料时，根据其材料所需的特性来对碳管进行有目的地修饰，它能有效地改善碳管的分散性，使碳管与聚合物之间的界面结合更加紧密。

1.1.1碳纳米管的共价功能化

在碳纳米管进行进一步功能化时都需要进行共价功能化，共价功能化是用强氧化剂处理碳管，并将羧基（-COOH）、羟基（-OH）、氨基（-NH2）等各种活性基团接在碳纳米管得端口或者侧壁上，从而使碳管的表面结构得到改变，实现功能化。对碳纳米管适当的改性不仅可除去碳纳米管表面的杂质，而且能引入不同种类的官能团，提高吸附性能。阴强等利用Fenton反应产生的-OH对碳纳米管的碳碳双键进行羟基化加成，研究了 Fenton、US-Fenton以及UV-Fenton对碳纳米管表面的影响。结果表明UV-Fenton反应能够在碳纳米管表面引入大量羟基以及少量的羧基，且不会较大程度的破坏碳纳米管的结构。表面氧化不但在碳纳米管外表面或内表面引入羧基和羟基，并且增加了其比表面积和孔容的大小，使其在水溶液中的溶解度显著增加[1]。

1.1.2碳纳米管的非共价功能化

非共价功能化主要是指在不破坏碳管原来结构的基础上利用表面活性剂、生物高分子化合物等通过ππ键相互作用、氢键、范德华力、静电引力等非共价作用对纳米管进行物理吸附和包裹。Deepalekshmi等通过实验对比了4组表面活性离剂对多壁管在胶体基质中分散情况的影响，从而对炭纳米管的非共价修饰对天然乳胶乳纳米复合材料流变性能的影响进行了研究。通过研究，可以发现非共价功能可以不破坏碳管的结构而完全溶解于溶剂中，而且具有良好的分散效果，但是它也存在一个明显的缺点，就是功能团和碳管之间的非共价键作用比较弱，传递载荷的能力不强，在生物应用方面不便。

1.1.3碳纳米管的混杂功能化

由于共价功能化和非共价功能化都有各自的优点和不足，所以有学者提出了混杂功能化，它主要是在保证碳管力学的前提下对碳管进行共价功能化和非共价功能化包覆，在既保证碳管在聚合物材料中的分散性前提下又能增强碳管和聚合物材料的界面粘附力，荷载传递效率得到提高，强化碳管在聚合物材料中的应用。它有效地结合了共价化和非共价化的优点，但是目前碳纳米管的混杂功能化还处于一个探索发展的阶段。

2 碳纳米管在复合材料中的应用

碳纳米管结构独特，性能优良，具有化学稳定性和热稳定性，能够导电导热，同时又能耐热耐腐蚀，能够较好的应用于复合材料当中。目前主要在金属基、聚合物基、陶瓷基等复合材料中进行了应用。

在金属基复合材料中，碳管可以有效地强化金属基复合材料的热性能和力学性能，与此同时，碳管也会受到金属离子的反作用，在两者互相作用互相结合后，会使金属基复合材料拥有更优异的性能。

在聚合物复合材料中，有机聚合物由于容易加工，密度较低而且具有较好的柔韧性，能够比较方便的和碳纳米管进行结合互补，采用化学键合作用、机械粘结和润湿吸附都可以使两者有效地实现融合，而且这种聚合物复合材料的综合性能整体来说比较优异，所以目前这一类材料也是目前这一领域的研究重点，而且也有了不少的尝试，如徐洪军将烷基胺通过共价键接合于碳纳米管表面后与环氧树脂进行复合，发现加入1%的碳管就可以将环氧树脂的断裂韧性提高35%陶瓷材料本身由于共价键和复杂离子的键合以及复杂的晶体结构而具备能耐高温抗磨损和质量轻的优点，所以在工业生产，航空航天和军事方面的应用较多，但是陶瓷材料过于脆性，韧度不够，所以在实际使用时也受到了很大的制约。在陶瓷基复合物材料方面，主要是将碳纳米管均匀的分散在陶瓷基材料上，通过断裂桥联和拔出作用使陶瓷基体增加韧度。

3 结束语

目前，碳纳米管的修饰功能已经成为一个重要的研究领域，在实际的应用中也取得了一定的成效，而随着科技的不断发展，会有越来越多的新方法和新用途将不断地涌现，碳纳米管也将会更加充分地应用到各个领域当中。

[1] 阴强，李爱菊，孙康宁，等.试剂对碳纳米管表面改性研究人[J].人工晶体学报，2009，38（6）：1481-1484.

[2] 谷献模.功能化纳米碳管及其复合材料的制备与催化性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[3] 王晓丽.碳纳米管增强陶瓷基复合材料[J].河北纺织，2011（2）：40-43.

Functionalization of Carbon Nanotubes and Its Application on Composites

Shen Meng-nan

Carbon nanotubes with unique structure and excellent performance，but also have can be obtained in low cost large scale，good thermal stability and can regulate the electron affinity of the characteristics to become the focus of attention of many scientists，but because it does not dissolve in water and organic solvents，in the practical application is restricted，this paper analyzes the covalent functionalization of carbon nanotubes，non covalent functionalization，and hybrid functional modifi cation methods，and analysis of its application in the base metal，polymer，ceramic and other composite materials.

carbon nanotubes；functionalization；composites；application

TB383.1

A

1003-6490（2016）01-0056-02

2016-01-27

沈梦楠（1984—），女，吉林长春人，讲师，主要从事有机污染物环境归趋、环境行为研究工作。