碳納米管的功能化及其在復(fù)合材料中的應(yīng)用分析

曹雅琴

新奧石墨烯技術(shù)有限公司 河北廊坊 065000

日本的電鏡專家飯島澄男在1991年意外的發(fā)現(xiàn)了碳元素納米管子，引起了人們極大的興趣。碳納米管是由一個或多個多層石墨片形成一定螺旋形彎曲的無縫納米管，兩端的“碳素帽”被五元環(huán)和六元環(huán)所關(guān)閉。根據(jù)石墨數(shù)量的差異，碳元素納米管大致分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。碳納米管具有獨特的管狀結(jié)構(gòu)和極好的力學、電學、光學、熱學等性能，廣泛應(yīng)用于航空、宇宙飛行、電子、通信、化學工業(yè)、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域。但由于碳元素納米管非常容易滲透，所以不適合與其他物質(zhì)的浸潤性差異，所以在溶液和復(fù)合材料中不能均勻分布。因此，有必要使碳納米管功能性并擴展復(fù)合材料中的應(yīng)用。

1 碳納米管概述

碳纖維是一種具有巴基管特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料，1991年被日本電子公司(NEC)飯島博士發(fā)現(xiàn)。碳納米管可以被認為是由單層或多層石墨片的卷曲所形成的無縫納米管，其由端頭構(gòu)成的半球形狀封閉。普通的單壁碳納米管直徑小，在0.6 - 2nm之間，有很多墻壁的碳娜美管壁，且直徑大。碳娜美管具有比表面積更大的理論，但其本身的不穩(wěn)定性和易集性限制了其應(yīng)用價值。因此，有必要克服碳元素納米管的改性。

2 碳納米管的功能化

2.1 化學功能化

化學功能化是指活性分子與碳納米管上的C骨架形成共價值鍵連接在一起的現(xiàn)象。共用價格鍵的這種連接可以由碳納米管的端部或者側(cè)壁形成。側(cè)壁共價功能涉及C原子的SP 2的復(fù)雜化和SP 3的雜化變化，并且破壞了石墨烯層的π共軛結(jié)構(gòu)。側(cè)壁功能可以通過活性分子(諸如F原子)和碳納米管(碳納米管)的反應(yīng)來實現(xiàn)。氟化的碳娜美管中包括C - F鍵，C - F鍵與氟西坦的C - F鍵比較弱，因此能夠進一步發(fā)揮功能?，F(xiàn)在，F(xiàn)原子可以得到碳納米管，該納米管已經(jīng)取代了阿爾基、阿爾基和羥基，。除碳納米管的側(cè)壁氟的功能性外，類似的功能性方法包括環(huán)加性(例如，碳素、氮加性)、氯化、溴化和氫氣等，并且近幾年還獲得了成功。這些方法被認為是側(cè)壁功能化的派生反應(yīng)。

2.2 物理功能化

非共價功能性是調(diào)節(jié)碳納米管性能的另一種方法。非共價功能有三種類型：聚合物套，表面活性劑的吸附和嵌入式。聚合物是指像碳元素納米管那樣在碳納米管中懸浮碳納米管，從而聚集在碳納米管周圍形成碳納米管的超分子復(fù)合體。聚合過程是將碳納米管和聚合物的分子鏈之間范德華力作和π結(jié)合而實現(xiàn)的。

現(xiàn)在，能實現(xiàn)碳納米管機能化的表面活性劑，作為“非離子型表面活性劑”聚乙二醇、壬基酚乙氧基化物等。它吸附碳元素納米的表面活性劑，減少碳納米管的表面張力，阻止團圓的形成。被處理為表面活性劑的碳娜美管，通過靜電克服了莫德諾的引力。這些方法的效率很大程度上取決于表面的活性劑分子的性能和聚合物基體。

2.3 混雜功能化

考慮到共價功能化和非共價功能化的優(yōu)缺點，提出了一種混合功能化方案。設(shè)想在保證碳管力學性能的前提下，先對碳管進行輕度共價功能化，再進行非共價功能化，從而提高碳管的分散性，增強碳管和基體材料的性能。界面粘結(jié)力提高了載荷傳遞效率。采用分子動力學方法對混合功能系統(tǒng)進行了模擬。通過在碳納米管上接枝環(huán)氧樹脂828分子，并在其表面包覆共軛聚合物聚間苯乙炔Pm pv分子，探索了雜化功能化的可行性。性。結(jié)果表明，混合功能化的效果(圖1)優(yōu)于純共價或非共價功能化。進一步提高了碳納米管的分散性，提高了碳納米管與基體之間的界面剪切強度。相對增強。碳納米管首先被強酸氧化，然后將聚乙炔亞胺與羧基接枝到碳納米管表面，得到雜化功能化的碳納米管，成功應(yīng)用于體外轉(zhuǎn)染間充質(zhì)干細胞。人們。在多壁碳納米管表面涂覆線性水溶性聚合物聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)，然后與四氯代合金酸原位反應(yīng)，均勻修飾單壁碳納米管周圍的Au粒子，獲得穩(wěn)定的可溶性。Au/PVP碳納米管混合體系結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，為碳納米管催化載體、納米器件和生物材料的進一步研究提供了很大的幫助。

圖1 碳納米管／聚合物復(fù)合材料界面示意圖

3 碳納米管在復(fù)合材料中的應(yīng)用

碳納米管結(jié)構(gòu)獨特，性能優(yōu)良，具有化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，能夠傳導(dǎo)和抗熱。主要被用作金屬基、聚合物基、陶瓷基等復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料中，碳管在金屬基復(fù)合材料的熱性能和力學性能，同時能有效地強化，碳素管在金屬離子的相反作用，兩者的相互作用相互結(jié)合后，金屬基復(fù)合材料由于具有出色的能源性能。

在聚合物復(fù)合材料中，有機聚合物具有易加工、密度低、柔韌性好等特點，可以很容易地與碳納米管結(jié)合進行化學鍵合、機械鍵合和濕法吸附。兩者可以有效的結(jié)合，且聚合物復(fù)合材料的整體性能優(yōu)越，所以這類材料是目前該領(lǐng)域研究的重點，并且已經(jīng)有了很多的嘗試，如徐宏軍。烷基胺通過共價鍵與碳納米管表面結(jié)合，然后與環(huán)氧樹脂結(jié)合。結(jié)果表明，加入1%的碳管可以使環(huán)氧樹脂的斷裂韌性提高35%。陶瓷材料本身是共價鍵合的，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。離子鍵和復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)具有耐高溫、耐磨性好、重量輕等優(yōu)點。因此，陶瓷材料在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，但由于陶瓷材料的脆性太大，韌性不足，實際應(yīng)用中存在很多問題。它也受到很大的限制。在陶瓷基體復(fù)合材料中，碳納米管均勻分散在陶瓷基體材料上，通過擊穿橋接和拉拔使陶瓷基體的韌性增加。

4 結(jié)語

目前，碳納米管的改性功能已經(jīng)成為一個重要的研究領(lǐng)域，并在實際應(yīng)用中取得了一定的效果。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的新方法和新用途將繼續(xù)。隨著地面的出現(xiàn)，碳納米管將更全面地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。