碳納米材料的制備及有機(jī)功能化修飾的研究.pdf

1、由于碳納米管在力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)等多方面的優(yōu)異性能，從其被發(fā)現(xiàn)之日起，就已經(jīng)引起了物理、化學(xué)及材料等學(xué)科的極大興趣。目前，對于碳納米管在應(yīng)用方面的研究已取得了較大的進(jìn)展，然而距人們的所期待值仍有很大的差距。從相關(guān)的研究進(jìn)展來看，如何進(jìn)一步開發(fā)實用、廉價的大量碳納米管合成工藝以及如何實現(xiàn)碳納米管的可控制備仍是當(dāng)前最為重要的發(fā)展方向之一，與此同時，如何實現(xiàn)定向碳納米管的低成本工業(yè)化生產(chǎn)也是當(dāng)前急需解決的問題。 本論文從CVD法制

2、備碳納米管入手，開發(fā)出了一種能高產(chǎn)率制備高質(zhì)量多壁碳納米管的高效催化劑，同時利用噴霧熱解法系統(tǒng)地研究了定向碳納米管的制備工藝，此外，針對碳納米管在溶劑中難溶解以及在復(fù)合材料基體中難分散這一難題，還開展對多壁碳納米管進(jìn)行有機(jī)功能化修飾的研究。研究具有基礎(chǔ)性和前瞻性，兼具重要的理論意義和應(yīng)用前景。 第一，采用溶膠－凝膠法制備出Ni/Mo/Mg三金屬催化劑，并將其應(yīng)用于CVD中試反應(yīng)爐中，以乙炔為碳源，在750℃下，高效地制備出高質(zhì)量

3、、高純度的多壁碳納米管，在反應(yīng)35min后，所得到碳納米管的質(zhì)量接近初始催化劑質(zhì)量的10倍。SEM和TEM結(jié)果顯示該樣品中碳納米管長度大約在50μm左右，管徑在30～35nm之間。 第二，以溶膠-凝膠法制備的Fe/Mg/Mo三金屬作為催化劑，甲烷為碳源，在化學(xué)氣相沉積反應(yīng)爐中制備出了純度較高單壁碳納米管。此外，通過調(diào)節(jié)催化劑配比和改變其它工藝條件，由石墨層狀結(jié)構(gòu)組成的碳納米帶也被成功合成，電鏡觀察結(jié)果顯示該納米帶的厚度約為10n

4、m，寬度為幾百納米，長度在100μm的數(shù)量級。 第三，采用噴霧熱解法，以二甲苯為碳源，二茂鐵為催化劑，通過調(diào)節(jié)各種實驗工藝參數(shù)，得到了高質(zhì)量定向碳納米管的最佳生長環(huán)境，并對定向碳納米管的生長機(jī)制做了較為系統(tǒng)、深入的探討。與此同時，還制備了超長碳納米管束(8.2mm)、“波浪式”碳納米管陣列、碳微/納米球和由這些碳球組成的碳球鏈。 第四，通過選用戊烷、己烷、庚烷、辛烷、苯、甲苯、二甲苯和環(huán)己烷八種有機(jī)溶劑作為碳源來制備定向

5、碳納米管，可以發(fā)現(xiàn)，二甲苯、正庚烷和環(huán)己烷都是制備高質(zhì)量定向碳納米管的理想前驅(qū)體；此外，在對比分析由這些碳源所得產(chǎn)物的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)選用直鏈烷烴制備碳納米管時，其產(chǎn)物的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)主要是受其碳源先驅(qū)體熱學(xué)性能(標(biāo)準(zhǔn)生成焓和吉布斯自由能)的影響；而當(dāng)選用芳香烷烴制備碳納米管時，其所得產(chǎn)物的形貌特征和微觀結(jié)構(gòu)主要取決于芳香烴自身的熱分解機(jī)制，這些發(fā)現(xiàn)將為定向碳納米管朝規(guī)?；?、可控化方向制備提供重要的科學(xué)依據(jù)。 第

6、五，采用酸化法對CVD法制備的多壁碳納米管進(jìn)行化學(xué)純化處理，并利用甲醛的親電性能和多壁碳納米管進(jìn)行反應(yīng)，成功在多壁碳納米管的表面引入了羥甲基官能團(tuán)，使多壁碳納米管在水中的分散性明顯改善，然后在此基礎(chǔ)上通過酯化反應(yīng)把馬來酸酐和聚丙烯酸分別接枝在多壁碳納米管的表面，提高了多壁碳納米管在溶劑中的分散性能，為制備高性能的碳納米管/聚合物復(fù)合材料打下了基礎(chǔ)。 第六，采用原位懸浮液聚合法，得到了聚酰亞胺非共價包覆的碳納米管，此修飾后的碳納米