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聚合物接枝碳纳米管在聚合物基纳米复合材料中的分散与定位

作　者: 张冰姿
导　师: 罗英武
学　校: 浙江大学
专　业: 化学工程
关键词: 可逆加成-断裂链转移(RAFT) 嵌段共聚物碳纳米管表面修饰复合相形貌分散定位
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

碳纳米管是一种新型的一维纳米材料,由于其具有力学、电学和热学性能的独特组合,被认为是传统纳米填充材料的替代或补充,是制备多功能聚合物基纳米复合材料的理想添加相。但是,由于具有很高的表面自由能和很大的长径比,碳纳米管极易发生团聚,难以分散在溶剂和基体材料中,使得它在复合材料中的广泛应用受到了限制。通过在碳纳米管表面接枝聚合物是改善其分散性的有效方法之一。可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合不仅可以实现众多单体的活性自由基聚合,合成窄分子量分布聚合物,还能设计和合成具有复杂拓扑结构的聚合物,如嵌段,星型和梳型聚合物等。其中,线性两嵌段共聚物合成方法简单,其聚合物链可以自发聚集形成纳米尺度的、周期性的层状、柱状、球形或互穿网络微相分离聚集态结构。本文拟通过调控纳米微相分离结构各相与碳纳米管之间的相互作用,实现碳纳米管在纳米多相聚合物材料基体中的分散和定位,主要结果包括:（1）以二硫代苯甲酸苯乙基酯（CDB）为链转移剂,通过可逆加成断链链转移（RAFT）聚合得到了组成不同的苯乙烯-4-乙烯基吡啶嵌段共聚物（PS-b-P4VP）,并对聚合反应动力学和产物分子量的可控性进行了研究。该反应具有明显的活性特征,得到的嵌段共聚物分子量分布较窄。用透射电镜（TEM）观察嵌段共聚物的本体相形态,发现其呈现出规整的周期性微纳结构。随着嵌段组成的不同,分别观察到周期尺寸在几十纳米的层状和柱状结构。（2）通过表面引发的ATRP聚合,制备了接枝含量从66.2%到78.4%的一个系列的聚甲基丙烯酸叔丁酯接枝的单壁碳纳米管（SWNT-g-PtBMA）。在三氟乙酸的催化下,将碳纳米管表面的聚甲基丙烯酸叔丁酯水解为聚甲基丙烯酸,制备了聚甲基丙烯酸接枝的单壁碳纳米管（SWNT-g-PMAA）。采用FT-IR对SWNT-g-PtBMA和SWNT-g-PMAA进行了表征,证实了其结构。采用TEM观察SWNT-g-PtBMA的形貌,发现大多数SWNT-g-PtBMA形成了具有“核/壳”结构的纳米团聚体。对SWNT-g-PtBMA和SWNT-g-PMAA在溶剂中的分散稳定性进行测试,发现SWNT-g-PtBMA在THF和CH₂Cl₂中具有较好的分散稳定性,而SWNT-g-PMAA在水中具有较好的分散稳定性。（3）采用原位聚合法、溶液共混法和快速沉淀法分别制备了SWNT-g-PtBMA/PtBMA的纳米复合物。对其进行DSC表征,结果表明,相比较未经表面改性的SWNTs,表面接枝PtBMA的SWNTs与聚合物基体具有更好的相容性。经TEM观察得到,SWNT-g-PtBMA能够以纳米尺度的团聚体较均匀的分散在聚合物基体中。（4）采用溶液共混法制备了SWNT-g-PMAA/PS-b-P4VP的纳米复合物。通过TEM照片观察复合物的形貌特征以及SWNT-g-PMAA在基体聚合物中的分散和分布情况。结果显示,PMAA接枝的SWNTs能够优先定位于PS-b-P4VP的P4VP相区中,同时SWNT-g-PMAA的加入破坏了PS-b-P4VP嵌段共聚物的层状微相分离结构的规整性,形成扭曲的层状结构。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章文献综述  12-47
  1.1 活性自由基聚合概述  12-18
    1.1.1 活性自由基聚合的机理  12-13
    1.1.2 活性自由基聚合的分类  13-14
    1.1.3 原子转移自由基聚合(ATRP)  14-15
    1.1.4 可逆加成-断裂链转移(RAFT)自由基聚合  15-18
  1.2 活性自由基聚合与分子设计  18-21
    1.2.1 分子量与分子量分布  18-19
    1.2.2 大分子的功能化  19
    1.2.3 对组成分布的控制  19-20
    1.2.4 对拓扑结构的控制  20-21
  1.3 嵌段共聚物的合成和自组装  21-24
    1.3.1 RAFT聚合嵌段共聚物  22
    1.3.2 嵌段共聚物的自组装  22-24
  1.4 纳米粒子在聚合物中的分散和定位  24-29
    1.4.1 影响纳米粒子在聚合物中空间分布的因素  25-26
    1.4.2 纳米粒子/均聚物体系  26-27
    1.4.3 纳米粒子/嵌段共聚物体系  27-29
  1.5 纳米碳管/聚合物复合材料  29-36
    1.5.1 碳纳米管概述  30
    1.5.2 碳纳米管的性能  30-31
    1.5.3 碳纳米管的表面改性  31-32
    1.5.4 碳纳米管/聚合物复合材料的制备  32-34
    1.5.5 碳纳米管/聚合物复合材料的应用  34-36
  1.6 本论文的研究思路及内容  36-37
  参考文献  37-47
第二章嵌段共聚物PS-b-P4VP的合成及其相形态的研究  47-61
  2.1 前言  47-48
  2.2 实验部分  48-52
    2.2.1 实验试剂  48-49
    2.2.2 试剂处理  49
    2.2.3 测试与表征  49-50
    2.2.4 RAFT试剂二硫代苯甲酸异丙苯基酯(CDB)的合成  50-51
    2.2.5 嵌段共聚物的合成  51-52
  2.3 结果与讨论  52-57
    2.3.1 RAFT试剂的制备与表征  52-54
    2.3.2 嵌段共聚物的制备与表征  54-56
    2.3.3 嵌段聚合物本体的相形态  56-57
  2.4 小结  57-59
  参考文献  59-61
第三章单壁碳纳米管的表面修饰与表征  61-85
  3.1 前言  61-62
  3.2 实验部分  62-66
    3.2.1 实验试剂  62-63
    3.2.2 试剂处理  63
    3.2.3 测试与表征  63-64
    3.2.4 合成部分  64-66
  3.3 结果与讨论  66-79
    3.3.1 SWNT-COOH的制备及表征  66-68
    3.3.2 SWNT-OH的制备及表征  68-70
    3.3.3 SWNT-Br的制备及表征  70-71
    3.3.4 SWNT-g-PtBMA的制备及表征  71-75
    3.3.5 SWNT-g-PMAA的制备及表征  75-79
  3.4 小结  79-81
  参考文献  81-85
第四章碳纳米管/聚合物纳米复合物的制备和表征  85-101
  4.1 前言  85-86
  4.2 实验部分  86-89
    4.2.1 试剂  86
    4.2.2 试剂处理  86-87
    4.2.3 测试与表征  87
    4.2.4 碳纳米管/聚合物复合物的制备  87-89
  4.3 结果与讨论  89-98
    4.3.1 SWNT-g-PtBMA/PtBMA复合物  89-94
    4.3.2 理想状态下的CNTs/BCP复合物  94-96
    4.3.3 SWNT-g-PMAA/PS-b-P4VP复合物的制备与表征  96-98
  4.4 小结  98-99
  参考文献  99-101
第五章结论与展望  101-105
  5.1 结论  101-102
  5.2 主要创新点  102-103
  5.3 展望  103-105
致谢  105-106

聚合物接枝碳纳米管在聚合物基纳米复合材料中的分散与定位

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