非共价功能化法修饰碳纳米管在溶剂及高分子中的分散机制探讨

How to make carbon nanotubes dispersed well without damaging its own structure and performance indicators, becoming its key technical difficulties in practical applications. The dispersion of carbon nanotubes in a polymer composite material directly affects the use of carbon nanotubes, however, it is hard to predict. This project intends to use Hansen solubility parameters to study the dispersion of non-covalent modified carbon nanotubes in a single solvent and mixed solvents. Phase analysis and simulation help clarify the correlation between the Hansen solubility parameters and dispersion characteristics of carbon nanotube, and describe with a quantitative representation. Use the Hansen solubility parameters, the compatibility between polymer materials the modified carbon nanotubes can be calculated, the dispersion of carbon nanotubes is closely related with its compatibility. The simulation results will make the surface modification and dispersion of carbon nanotubes with greater pertinence, thus providing the necessary theoretical basis for engineering applications.

如何使碳纳米管在不损伤其自身结构及其性能指标的前提下，具备一定的分散特性，正成为其实际应用必须加以解决的关键技术难点。碳纳米管在高分子复合材料中的分散直接影响到碳纳米管的性能利用，但是碳纳米管的分散却难以预测。本项目拟采用Hansen溶解度常数方法，研究非共价功能化法修饰碳纳米管在单一溶剂及混合溶剂体系中的分散性及其影响机制，借助物相分析及模拟计算，澄清碳纳米管的Hansen溶解度常数及其与碳纳米管分散特性之间的内在关联行为，并给出定量表述。利用Hansen溶解度常数方法可以计算得到修饰后的碳纳米管与高分子材料之间的相容性，而此相容性与碳纳米管在高分子中的分散性之间的联系十分紧密。预先模拟计算分析将使碳纳米管的表面修饰和分散方法更具针对性，进而为其工程应用提供必要的理论依据。

为了使碳纳米管在不损伤自身结构和性能指标的前提下，具备一定的分散特性，使其在实际应用中能够更加充分的发挥其优异的物理化学特性，本项目采用了不同种类的表面活性剂（如：十六烷基氯化吡啶-CPC、脱氧胆酸钠-NaDC、聚乙二醇辛基苯基醚-TritonX-100），生物大分子（如：壳聚糖-CS、溶菌酶-LZ），高分子（如：聚苯胺-PANI、聚乙烯吡咯烷酮-PVP）分别对于多壁碳纳米管（MWCNTs）进行非共价功能化修饰。通过采用傅里叶红外光谱仪（FTIR）、X-射线衍射仪（XRD）、拉曼光谱仪（Raman）和扫描电镜（SEM）的手段，分别证实了碳纳米管成功地被这些分散剂不同程度地修饰。结合定性和定量的分析手段，并借助汉森溶解度常数的方法，建立理论模型，综合研究了碳纳米管和功能化的碳纳米管在20多种单一溶剂和混合溶剂中的分散性及其影响机制，灵活地设计沸点低、毒性低的溶剂组合体系来取代传统的难挥发、毒性高的溶剂。采用熔融法、溶液法制备碳纳米管/高分子复合材料，通过汉森溶解度常数进行模拟计算，揭示了碳纳米管与高分子间的相容性与分散性的一致性，澄清了碳纳米管的汉森溶解度常数与其分散特性之间的内在关联行为。本项目还进一步探究了以非共价功能化碳纳米管为填料，不同类型的高分子（环氧树脂、聚丙烯、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯）为基体的复合材料的物理化学性能，如力学、电学和热学等性能，进一步探讨了碳纳米管的分散性与增强性能之间的联系，使模拟碳纳米管的表面修饰和分散更具针对性，进而为工程应用提供必要的理论依据。