聚合物分子对碳纳米管的螺旋缠绕及其相互作用本质

本项目拟使用具有不同分子结构和不同构象的聚合物，探讨聚合物分子和碳纳米管之间的相互作用本质，澄清聚合物分子以不同构象和形态、螺旋缠绕包覆碳纳米管的原因。选用和合成制备可以与碳纳米管进行化学作用或物理作用的具有不同特点的聚合物分子，如带有特点官能团、嵌段或接枝聚合物、支化或梳状聚合物，天然呈螺旋构象的聚合物以及结晶时呈螺旋构象的聚合物，深入研究这些聚合物和碳纳米管之间的相互作用和包覆形态，理解聚合物分子在缠绕碳纳米管时左螺旋或右螺旋形成的诱因，从中发现它们之间相互作用的本质，为碳纳米管的稳定分散和功能化器件的制备以及在高分子工程材料中的应用奠定重要基础；并可控制碳纳米管的修饰，为通过聚合物自组装实现碳纳米管在高分子中的可控排列以致阵列化上提供新思路和新方法

纳米材料的研究是本世纪以来材料科学中的前沿和焦点之一，碳纳米管是纳米材料中最富有代表性的一种。碳纳米管具有特殊的结构，优良的力学和电学性能，在许多领域都具有潜在的应用前景。但是由于碳纳米管管间巨大的范德华力和极高的长径比，碳纳米管很容易聚集成束存在，难以分散在溶剂中，极大地限制了它的应用。聚合物是广泛使用的一类材料，具有种类丰富、性能各异、结构可控等特点。用聚合物来对碳纳米管进行分散、修饰，是解决碳纳米管应用问题的一个可行方法，受到很大的关注。.在本项目研究中，我们首先研究了制备碳纳米管-聚合物复合物过程中混合时间对复合物稳定性的影响，发现只有在长时间超声的作用下，碳纳米管才能通过聚合物的螺旋缠绕包覆实现在溶剂中的有效和稳定分散。时间较短时，聚合物分子链可能仅是被单纯吸附于碳纳米管表面，一定时间后由于解吸附而使分散效果下降。为了研究碳纳米管与聚合物之间相互作用对聚合物分子链包覆碳纳米管的影响，引入了多种不同的相互作用：共价键、氢键、π-π共轭作用以及范德华力。在不同类型的相互作用体系中，聚合物都和碳纳米管形成了碳纳米管-聚合物复合物，在溶剂中的分散具有良好的稳定性。而且在高分辨透射电镜的表征中可以发现，聚合物分子链形成了规则的螺旋结构缠绕着碳纳米管。.另外，在碳纳米管-聚合物复合物中，聚合物分子链熵变的重要性也是本研究的关注点。通过使用不同分子量的聚苯乙烯包覆碳纳米管研究了熵变及相应的构象调整对于稳定分散碳纳米管的重要性，研究结果表明，聚合物分子链越柔性越利于其在碳纳米管上的包覆。.碳纳米管以外，二维纳米材料，包括石墨烯和无机石墨烯类似物，同样具有优异的电学、热学和力学性能，可以在高性能聚合物基复合材料中展现其无穷魅力。进一步的研究首先从二维纳米材料最具代表性的例子石墨烯出发，设计了具有特殊结构的嵌段共聚物使其通过π-π堆栈或异相成核与结晶和石墨烯发生强相互作用，实现了石墨烯的非共价改性。通过二价金属离子配位的方法组装出具有极高的导电性和透过率的碳纳米管/石墨烯杂化网络结构，可媲美ITO透明导电薄膜，具备了取代ITO成为新一代柔性透明导电薄膜的潜能。.最后将二价金属离子的配位方法推广到无机石墨烯类似物中，利用其丰富的配位原子(S、O和N)与聚合物配体配位，利用配位方法构造出强的填料/聚合物基体间的界面相互作用，从而制备出高强度无机石墨烯类似物/聚合物基复合材料。