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碳纳米管(CNTs)因其独特的结构、电学、机械等性能,在纳米电子器件、超强复合材料、储氢材料、催化剂载体等诸多新领域取得了较大突破,引起全球物理、化学及材料等科学界的极大兴趣。但由于CNTs几乎不溶于任何溶剂,且在溶液中易聚集成束,这就极大地限制了其在许多领域的应用。对CNTs进行共价功能化是改善其分散性从而拓展其应用的有效方法之一。目前,已经发展了大量的共价功能化CNTs的方法,但是很多的方法由于要用到苛刻的条件或是接枝率不高,因此只能停留在实验室阶段,不能实现规模化生产,从而限制了其潜在的应用价值。本研究系统地探索了SWNTs与卤代烯烃、醇以及丙交酯等试剂发生反应的最优化条件,并探讨了其反应的机理。主要研究内容及结果如下:
⑴探索了在微波辅助加热和用三氯化铝做催化剂的条件下,3-氯丙烯与SWNTs在不同时间、温度下发生的亲电加成反应,以寻找提高反应产率的最佳条件。通过IR、TG、Raman、TEM、AFM和UV等测试方法和手段表征了实验所得产物。研究结果表明用三氯化铝做催化剂时,3-氯丙烯发生聚合反应,结果聚合链能有效地接枝到SWNTs的表面,而且30min为合适的反应时间。
⑵选用一系列醇作亲电试剂与SWNTs发生亲电加成反应,以期望简化实验步骤、降低污染、能实现规模化生产。研究结果表明,通过一步反应SWNTs管壁上接上了烃基和羟基,并且醇的分子链的长度对功能化的程度有一定影响。修饰后的SWNTs在有机溶剂中的分散性大大提高,有利于其操作处理过程,从而实现其应用研究价值。
⑶探索了在辛酸亚锡做催化剂的条件下,羟基化的SWNTs与L-丙交酯的开环聚合反应,对其应用做初步研究。研究结果表明,乙二醇功能化的SWNTs管壁上的羟基能与丙交酯发生开环聚合反应,从而在SWNTs管壁上接上了聚乳酸链。同时,用该功能化后的SWNTs与聚乳酸制备复合材料,差热分析(DSC)表明功能化后的SWNTs掺杂到聚乳酸中,其玻璃化转变温度有所提高。