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碳纳米材料表面接枝聚合物改性

作　者: 武学丽
导　师: 刘鹏
学　校: 兰州大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 碳纳米材料碳纳米管石墨烯原位溶液自由基聚合 MWCNTs-PS Friedel-Craft烷基化反应 MWCNTs-PVC Graphene-PS
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

碳纳米材料自从1985年发现富勒烯以来,由于其具有独特的物理和化学性质,越来越受到人们的关注。其中碳纳米管和石墨烯最受人们欢迎,这是因为碳纳米管和石墨烯都具有独特的结构,优异的物理、化学、电学、热学、力学和机械性能。但是,碳纳米管和石墨烯的比表面积大,容易团聚,在普通溶剂及聚合物基体中的溶解性和分散性比较差,这将极大限制了它们在很多领域方面的应用,所以人们用各种方法对碳纳米材料进行改性。碳纳米材料的表面修饰可以减小碳纳米粒子的表面能,改变碳纳米粒子的表面极性,提高它与基体的亲和力,减少粒子之间的团聚,从而提高碳纳米粒子在普通的有机溶剂以及聚合物基体中的分散性和溶解性,以扩大碳纳米材料的应用范围。研究发现,聚合物接枝碳纳米材料是改性碳纳米材料性能的有效方法,目前所报道的聚合物改性碳纳米材料的主要方法有：物理包埋法、原位自由基聚合法和离子加成法。其中原位自由基聚合法和离子加成法改性的碳纳米材料,不仅可以提高其与聚合物基体的相容性,还可以改善聚合物的稳定性和导电性。本文采用原位自由基聚合和阳离子加成两种方法在碳纳米管和石墨烯表面接枝聚合物,主要实验方法、表征手段以及结果如下：1.通过原位溶液自由基聚合法在多壁碳纳米管表面接枝聚苯乙烯利用原位溶液自由基聚合法将聚苯乙烯接枝于多壁碳纳米管表面,碳纳米管改性之前没经过任何纯化处理,改性之后仍然保持了它原来的长度。分析了引发剂的加入量和聚合温度对聚合物接枝率(PG%)和单体转化率(C%)的影响,当加入的引发剂量为单体质量的0.5%、反应温度较高时得到的产物的PG%最高为15.6%。FT-IR、Raman和TEM分析证明聚苯乙烯被成功地接枝于多壁碳纳米管表面。2.通过Friedel-Craft烷基化反应制备多壁碳纳米管／聚氯乙烯接枝聚合物首次采用Friedel-Craft烷基化反应在多壁碳纳米管表面接枝聚氯乙烯,利用三氯化铝作催化剂,三氯甲烷作溶剂,讨论了催化剂量、反应温度及反应时间对接枝率的影响,所得产物接枝率最高为289%。FT-IR、Raman、TEM和分散性比较的分析证实了聚氯乙烯通过Friedel-Craft烷基化反应被成功接枝到多壁碳纳米管上。3.通过原位溶液自由基聚合法在石墨烯表面接枝聚苯乙烯通过氧化-还原法用石墨粉成功地制备了石墨烯片,然后通过原位溶液自由基聚合法制得聚苯乙烯改性的石墨烯。通过FT-IR、Raman、GPC、TEM、电导率的分析证明聚苯乙烯被成功地接枝于石墨烯表面。随着引发剂量的增大,石墨烯表面接枝的小分子量的聚苯乙烯链越多。由于无机物石墨烯和聚合物相的共价结合,石墨烯很好的分散在聚合物基体中。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章前言  12-36
  1.1. 碳纳米材料综述  12
  1.2. 碳纳米管  12-18
    1.2.1. 碳纳米管的结构  13-14
    1.2.2. 碳纳米管的制备与纯化  14-15
    1.2.3. 碳纳米管的性质  15-18
      1.2.3.1. 电学性能  15-16
      1.2.3.2. 力学性能  16-17
      1.2.3.3. 超导性能  17-18
  1.3. 石墨烯  18-23
    1.3.1. 石墨烯的结构  18-19
    1.3.2. 石墨烯的制备  19-20
      1.3.2.1. 微机械分离法  19-20
      1.3.2.2. 加热SiC法  20
      1.3.2.3. 取向附生法  20
      1.3.2.4. 化学分散法  20
    1.3.3. 石墨烯的性质  20-23
      1.3.3.1. 石墨烯的硬度大  20-21
      1.3.3.2. 电子输运  21
      1.3.3.3. 导电性  21-22
      1.3.3.4. 量子霍耳效应、最小量子电导率  22-23
  1.4. 碳纳米管接枝聚合物  23-25
    1.4.1. 碳纳米管接枝聚合物的制备  23-24
      1.4.1.1. "grafting to"法  23
      1.4.1.2. "grafting from"法  23-24
    1.4.2. 碳纳米管接枝聚合物的性能  24-25
      1.4.2.1. 导电性质  24
      1.4.2.2. 力学性能  24-25
      1.4.2.3. 光电性能  25
  1.5. 石墨烯接枝聚合物  25-29
    1.5.1. 石墨烯接枝聚合物的制备  25-26
    1.5.2. 石墨烯接枝聚合物的应用  26-29
      1.5.2.1. 光电性质  26-27
      1.5.2.2. 生物医药和生物诊断  27-29
  参考文献  29-36
第二章原位自由基聚合法制备MWCNTs-PS  36-45
  2.1. 前言  36
  2.2. 实验部分  36-38
    2.2.1. 材料与试剂  37
    2.2.2. 碳纳米管/聚苯乙烯接枝聚合物的制备  37
    2.2.3. 表征  37-38
  2.3. 结果与讨论  38-42
    2.3.1. FT-IR分析  38-39
    2.3.2. Raman分析  39-40
    2.3.3. 热失重分析  40-41
    2.3.4. 透射电镜分析  41-42
  2.4. 结论  42
  参考文献  42-45
第三章 Friedel-Craft法制备MWCNTs-PVC  45-57
  3.1. 前言  45-46
  3.2. 实验部分  46-47
    3.2.1. 材料与试剂  46
    3.2.2. MWCNTs-PVC的制备  46-47
    3.2.3. 表征  47
  3.3. 结果与讨论  47-53
    3.3.1. FT-IR分析  47-48
    3.3.2. TGA分析  48-50
    3.3.3. Raman分析  50-51
    3.3.4. 透射电镜(TEM)分析  51-52
    3.3.5. 接枝前后分散性对比分析  52-53
  3.4. 结论  53
  参考文献  53-57
第四章原位自由基聚合法制备GNS-PS  57-68
  4.1. 前言  57
  4.2. 实验部分  57-59
    4.2.1. 材料与试剂  57-58
    4.2.2. 石墨烯的制备  58
      4.2.2.1. 石墨粉的氧化  58
      4.2.2.2. 氧化石墨的还原  58
    4.2.3. GNS-PS的制备  58
    4.2.4. 表征  58-59
  4.3. 结果与讨论  59-64
    4.3.1. TGA分析  59-60
    4.3.2. 电导率分析  60-61
    4.3.3. FT-IR谱图分析  61-62
    4.3.4. 凝胶渗透色谱(GPC)分析  62
    4.3.5. 拉曼光谱分析  62-63
    4.3.6. 透射电镜分析  63-64
  4.4. 结论  64-65
  参考文献  65-68
全文总结  68-69
致谢  69-70
在读硕士期间发表论文情况  70

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