强酸作用下单壁碳纳米管的自发分散特性研究

为获得单分散、结构完整和表面清洁的单壁碳纳米管，本项目提出利用超强酸对碳管束的插层溶胀作用和功能化碳质副产物的助分散作用，建立超强酸溶胀预分散-碳质副产物选择性功能化自发分散的两步分散方法，制得单壁碳纳米管分散液；以透明导电膜的应用为例，探索自发分散对材料性能的优化机理。通过研究碳纳米管与超强酸的相互作用、考察碳质材料的表面润湿动力学及其在液相中的扩散动力学，揭示单壁碳纳米管在超强酸和功能化碳质副产物作用下自发分散的形成、优化和稳定化机理。利用电泳沉积成膜的易控性、热压转移的碳管/柔性基体的高附着力，发展电泳沉积-热压转移的方法制备柔性碳纳米管透明导电薄膜。建立分散方法-分散状态-薄膜透明导电性的关系，阐明单壁碳纳米管分散状态与结构完整性和洁净度对材料性能的影响，丰富与完善一维纳米材料的分散科学与技术，为单壁碳纳米管在薄膜器件等领域中的应用奠定基础。

单壁碳纳米管在溶液中分散通常需对其进行共价功能化或引入难以完全去除的表面活性剂和聚合物等添加剂，而且均需借助较强的外力，如超声等，不可避免地会损伤碳管结构，极大地制约了其优异性能的发挥及其在功能薄膜和复合材料等领域的应用。为获得单分散、结构完整和表面清洁的单壁碳纳米管，本课题建立了一种超强酸溶胀预分散－碳质副产物选择性功能化自发分散的方法，无需借助外力和外加分散辅助剂，实现了单壁碳纳米管在水、酒精、丙酮等常用有机溶剂中的自发分散，并很好地保持了单壁碳纳米管的结构完整性。碳纳米管在分散液中大多以单根或小管束的形式存在。机理研究发现选择性功能化碳质副产物类表面活性剂的作用是促进单壁碳纳米管自发分散的关键。采用上述自发分散液，利用无添加剂、碳纳米管结构完整性高的特点，制备出性能为Rs=76 Ω/sq@T=82%和Rs=133 Ω/sq@T=90%的透明导电薄膜，已达商用透明导电薄膜的要求，表明自发分散碳纳米管的优异特性对获得高性能薄膜等材料起着至关重要的作用。在此基础上，开发了一种喷涂的方法，利用该单壁碳纳米管自发分散液制备出了大面积、柔性的单壁碳纳米管透明导电薄膜，并成功实现了碳纳米管透明导电薄膜在液晶显示器用彩色滤光片与阵列片上的制备，为其作为液晶显示器透明电极的应用奠定了基础。此外，为拓展单壁碳纳米管的应用，我们还利用该分散液开展了单壁碳纳米管包覆聚合物微球的研究，初步实现了这种导电微球在异方性导电胶中的应用，对促进碳纳米管的广泛应用具有重要意义。