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碳纳米管是一种具有独特结构和优异性能的纳米材料,有着广阔的潜在应用前景。由于碳纳米管之间存在较强的范德华引力,加之它巨大的比表面积和很高的长径比,碳纳米管容易团聚或缠绕,严重制约了碳纳米管的实际应用。因此,如何实现碳纳米管的高度分散已成为推进碳纳米管应用的关键化课题。通过表面功能化可增强碳纳米管在溶剂中的溶解性和其他基质材料中的分散性,从而提高碳纳米管的实际使用价值。与共价功能化方法相比,通过非共价功能化的方法,选用在适当的表面活性剂溶液中超声分散碳纳米管,不仅能长时间保存碳纳米管的悬浊液,而且不会对管壁造成破坏。本文在综述了其研究意义,国内外发展现状以及碳纳米管分散各种方法优点及局限性的基础上,主要完成了以下工作:
(1)研究了在十二烷基苯磺酸钠存在下,碳纳米管在水中的分散性。在十二烷基苯磺酸钠(SDBS)溶液中,多壁碳纳米管(MWNTs)通过超声能使缠绕的碳管解开成为单根的碳管,从而得到高度分散的碳纳米管溶液。分散的效果通过紫外-可见光谱,扫描电子显微镜和透射电子显微镜等得到清楚的表征。用该方法可以得到不同分散程度的多壁碳纳米管。当MWNTs与SDBS满足m(MWNTs):m(SDBS)=2:3时,有最好的分散效果,可稳定约2个月。多壁碳纳米管在水中的最大溶解度为0.533 g·L-1。从所得到的溶液发现多壁碳纳米管的管壁并未破坏。
(2)研究了在十二烷基硫酸钠存在下,碳纳米管在水中的分散性。在十二烷基硫酸钠(SDS)溶液中,多壁碳纳米管(MWNTs)通过超声能使缠绕的碳管解开成为单根的碳管,从而得到高度分散的碳纳米管溶液。分散效果通过紫外-可见光谱,透射电子显微镜和张力测定等得到清楚的分析。MWNTs与SDS满足m(MWNTs):m(SDS)=1:3时,有最好的分散效果,可稳定40天。MWNTs在水中的最大溶解度为0.4 g·L-1。相对于SDBS而言,SDS分散MWNTs的性能和保持MWNTs溶液长时间均一的性能不及SDBS。
(3)研究了在(C16TMAB)存在下,碳纳米管在水中的分散性。分散效果通过张力测定和记录保存时间分析。当C16TMAB溶液的浓度达到1.6 g·L-1,MWNTs-C16TMAB溶液的保存时间最长。保存时间比在阴离子表面活性剂溶液中分散多壁碳纳米管的保存时间要短很多。
(4)研究了阴-阳离子表面活性剂(SDS-C16TMAB)复配对碳纳米管在水中的分散性的影响。结果表明:阴-阳离子表面活性剂(SDS-C16TMAB)复配后的分散效果优于单一的表面活性剂中的碳纳米管在水中的分散效果。