碳纳米管的功能化及其在复合材料中的应用分析

2018-05-25曹雅琴

商品与质量 2018年49期

曹雅琴

新奥石墨烯技术有限公司河北廊坊 065000

日本的电镜专家饭岛澄男在1991年意外的发现了碳元素纳米管子，引起了人们极大的兴趣。碳纳米管是由一个或多个多层石墨片形成一定螺旋形弯曲的无缝纳米管，两端的“碳素帽”被五元环和六元环所关闭。根据石墨数量的差异，碳元素纳米管大致分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管具有独特的管状结构和极好的力学、电学、光学、热学等性能，广泛应用于航空、宇宙飞行、电子、通信、化学工业、生物、医药等领域。但由于碳元素纳米管非常容易渗透，所以不适合与其他物质的浸润性差异，所以在溶液和复合材料中不能均匀分布。因此，有必要使碳纳米管功能性并扩展复合材料中的应用。

1 碳纳米管概述

碳纤维是一种具有巴基管特殊结构的一维量子材料，1991年被日本电子公司(NEC)饭岛博士发现。碳纳米管可以被认为是由单层或多层石墨片的卷曲所形成的无缝纳米管，其由端头构成的半球形状封闭。普通的单壁碳纳米管直径小，在0.6 - 2nm之间，有很多墙壁的碳娜美管壁，且直径大。碳娜美管具有比表面积更大的理论，但其本身的不稳定性和易集性限制了其应用价值。因此，有必要克服碳元素纳米管的改性。

2 碳纳米管的功能化

2.1 化学功能化

化学功能化是指活性分子与碳纳米管上的C骨架形成共价值键连接在一起的现象。共用价格键的这种连接可以由碳纳米管的端部或者侧壁形成。侧壁共价功能涉及C原子的SP 2的复杂化和SP 3的杂化变化，并且破坏了石墨烯层的π共轭结构。侧壁功能可以通过活性分子(诸如F原子)和碳纳米管(碳纳米管)的反应来实现。氟化的碳娜美管中包括C - F键，C - F键与氟西坦的C - F键比较弱，因此能够进一步发挥功能。现在，F原子可以得到碳纳米管，该纳米管已经取代了阿尔基、阿尔基和羟基，。除碳纳米管的侧壁氟的功能性外，类似的功能性方法包括环加性(例如，碳素、氮加性)、氯化、溴化和氢气等，并且近几年还获得了成功。这些方法被认为是侧壁功能化的派生反应。

2.2 物理功能化

非共价功能性是调节碳纳米管性能的另一种方法。非共价功能有三种类型：聚合物套，表面活性剂的吸附和嵌入式。聚合物是指像碳元素纳米管那样在碳纳米管中悬浮碳纳米管，从而聚集在碳纳米管周围形成碳纳米管的超分子复合体。聚合过程是将碳纳米管和聚合物的分子链之间范德华力作和π结合而实现的。

现在，能实现碳纳米管机能化的表面活性剂，作为“非离子型表面活性剂”聚乙二醇、壬基酚乙氧基化物等。它吸附碳元素纳米的表面活性剂，减少碳纳米管的表面张力，阻止团圆的形成。被处理为表面活性剂的碳娜美管，通过静电克服了莫德诺的引力。这些方法的效率很大程度上取决于表面的活性剂分子的性能和聚合物基体。

2.3 混杂功能化

考虑到共价功能化和非共价功能化的优缺点，提出了一种混合功能化方案。设想在保证碳管力学性能的前提下，先对碳管进行轻度共价功能化，再进行非共价功能化，从而提高碳管的分散性，增强碳管和基体材料的性能。界面粘结力提高了载荷传递效率。采用分子动力学方法对混合功能系统进行了模拟。通过在碳纳米管上接枝环氧树脂828分子，并在其表面包覆共轭聚合物聚间苯乙炔Pm pv分子，探索了杂化功能化的可行性。性。结果表明，混合功能化的效果(图1)优于纯共价或非共价功能化。进一步提高了碳纳米管的分散性，提高了碳纳米管与基体之间的界面剪切强度。相对增强。碳纳米管首先被强酸氧化，然后将聚乙炔亚胺与羧基接枝到碳纳米管表面，得到杂化功能化的碳纳米管，成功应用于体外转染间充质干细胞。人们。在多壁碳纳米管表面涂覆线性水溶性聚合物聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)，然后与四氯代合金酸原位反应，均匀修饰单壁碳纳米管周围的Au粒子，获得稳定的可溶性。Au/PVP碳纳米管混合体系结构简单、易于实现，为碳纳米管催化载体、纳米器件和生物材料的进一步研究提供了很大的帮助。

图1 碳纳米管／聚合物复合材料界面示意图

3 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，能够传导和抗热。主要被用作金属基、聚合物基、陶瓷基等复合材料。金属基复合材料中，碳管在金属基复合材料的热性能和力学性能，同时能有效地强化，碳素管在金属离子的相反作用，两者的相互作用相互结合后，金属基复合材料由于具有出色的能源性能。

在聚合物复合材料中，有机聚合物具有易加工、密度低、柔韧性好等特点，可以很容易地与碳纳米管结合进行化学键合、机械键合和湿法吸附。两者可以有效的结合，且聚合物复合材料的整体性能优越，所以这类材料是目前该领域研究的重点，并且已经有了很多的尝试，如徐宏军。烷基胺通过共价键与碳纳米管表面结合，然后与环氧树脂结合。结果表明，加入1%的碳管可以使环氧树脂的断裂韧性提高35%。陶瓷材料本身是共价键合的，结构复杂。离子键和复杂的晶体结构具有耐高温、耐磨性好、重量轻等优点。因此，陶瓷材料在工业生产、航空航天、军事等领域的应用非常广泛，但由于陶瓷材料的脆性太大，韧性不足，实际应用中存在很多问题。它也受到很大的限制。在陶瓷基体复合材料中，碳纳米管均匀分散在陶瓷基体材料上，通过击穿桥接和拉拔使陶瓷基体的韧性增加。