碳纳米管内填充高分子复合材料制备与性质研究

Vertically aligned carbon nanotube(CNT) arrays are infiltrated and protected by inert polymer materials. By using plasma etching or microtome technique, nano-porous carbon nanotube/polymer composite membrane are achieved through opening the end cap of CNTs. The solution or melt of target polymer materials are introduced into the cavity of carbon nanotube with nano-filtration technique. The molecule transportation,chain mobility, galss transition behavior, as well as molecule distortion and orientation will be studied and compared with the classical polymer materials. In addition, the selective separation properties of the composite film and potential application for sensors will also be investigated. The advantage of this method is to build up the only channel for mass transportation inside CNT pores under the sheliding of polymer protector. It can efficiently prevent the adsorption of target materials onto the external walls of CNTs. We expect to set up a well-controlled, convenient way to prepare this kind of polymer infilling CNTs composite materials. The studies on the physical and chemical properties of confined polymers inside CNT nano pores, as well as potential applications on water treatment or separation industry will be of great significance in both acadamic and practical fields.

研究受限环境下高分子的物理化学特性一直是高分子界关注的焦点。本项目拟采用惰性高分子材料对垂直取向碳纳米管阵列的空隙进行填充，然后借助等离子刻蚀或超薄切片技术, 打开碳管端口,制备碳纳米管阵列/高分子复合纳米多孔膜。利用纳过滤系统向碳管孔道内部引入高分子溶液或熔体，考察高分子材料在碳管内部一维受限空间中的传输,形变，取向, 玻璃化转变等性质；此外还将考察内部经高分子填充或修饰后的碳管复合薄膜在物质选择性分离和传感器等方面的应用。本项目的特点是利用惰性填充材料的屏蔽作用使得碳纳米管孔道成为唯一的物质传输通道，避免目标高分子对碳管外壁的吸附与修饰，并提高填充效率。本工作希望能够建立一套可控性好，简单易行的制备碳纳米管内部填充高分子复合材料的方法，在实验的基础上结合理论模型分析,研究受限环境下高分子的特殊性质，以及在水处理，物质分离等领域的潜在应用，在学术研究和实际应用方面都有重要的意义。

对于高分子材料而言,当环境尺寸减小到与高分子的均方旋转半径相当时,高分子就会表现出很多奇异的性质,如异常的链段运动特性及相转变行为,特殊的光电性质及化学反应特性等,这些性质对于研究和开发新型高分子材料具有重要的意义,因此针对受限环境下高分子的物理化学特性研究一直是高分子界关注的焦点。碳纳米管的空腔直径可以在1纳米至100纳米之间灵活变化,该尺寸恰好与大多数高分子的均方旋转半径相当,是一个非常理想的受限空间。同时碳纳米管内部为超疏水的石墨烯层,与高分子材料之间存在很多有趣的相互作用,如疏水相互作用和电荷转移相互作用等,因此位于碳纳米管内部的高分子与处于其他受限环境(如多孔氧化铝)中的高分子材料的性质可能存在差异。然而超高的长径比以及弱的润湿性能都严重制约了高分子填充进入碳纳米管。目前针对高分子在碳管内部受限行为的研究大多停留在理论模拟层面,实验工作非常缺乏。本项目采用惰性环氧树脂对垂直取向碳纳米管阵列的空隙进行填充，然后借助超薄切片技术,在充分保持原有碳纳米管取向的同时,打开碳管两端的端口,制备得到了取向排列的碳纳米管阵列/环氧树脂复合纳米多孔膜。由于环氧树脂良好的密封特性,使得碳纳米管空腔成为唯一的物质传输通道，避免了目标高分子对碳管外壁的吸附与修饰。利用这种独特的碳纳米管多孔膜,我们构筑了纳米对扩散体系,借助薄膜两侧浓度差或压力差,驱动无机离子或有机小分子单体扩散进入直径小于15nm的碳纳米管内部,以碳纳米管纳米空腔为微反应器,采用了包括氧化还原聚合,电化学聚合,自由基聚合在内的多种聚合方法,原位反应制备了聚苯胺内填充碳纳米管复合材料,水凝胶内填充碳纳米管复合材料,以及无机纳米功能材料内填充碳纳米管复合材料,通过调整反应条件,对于填充物质的种类和数量进行了有效的调控。实验发现聚苯胺内填充的碳纳米管复合材料相比较聚苯胺外部修饰的碳纳米管而言,具备更加优异的化学传感特性以及电化学性质,未来可以作为超灵敏气体传感器或超级电容材料;而水凝胶填充的碳纳米管复合薄膜则表现出有趣的温度响应型离子扩散行为,未来可用于模拟离子通道,研究温度控制的离子及药物小分子的可控传输以及水处理等方面。本项目三年中共发表SCI论文6篇，其中1区论文4篇，获得高分子冯新德奖1次，参加国内会议3次，国际会议2次，两次口头分会报告，共培养研究生8名，已毕业5人。