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碳纳米管基导电复合材料的制备及其性能研究

作　者: 冯超
导　师: 莫尊理
学　校: 西北师范大学
专　业: 无机化学
关键词: 碳纳米管聚苯胺纳米复合材料导电性荧光性
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

自从1991年被发现以来，碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）因其独特的力学性能、化学性能、导热性能和电学性能而受到广泛的关注，被认为是在诸多领域都将极具潜力的新型纳米材料。碳纳米管具有独特的一维管状结构，具有较大的长径比、较高的比表面积，但是由于其固有的不溶性，使得碳纳米管难以在溶液或聚合物基体中较好的分散，因此很大程度上限制了其在复合材料领域中的应用。目前应用比较广泛的碳纳米管的改性方法是使用混酸处理，在碳纳米管的表面引入羧基，并以此为活性点进行接枝。这种方法可以有效的克服碳管表面的惰性，利用化学键合的方式实现与聚合物等有机分子的复合。但是这种方法也存在明显的不足，在混酸处理的过程中，虽然可以有效的引入羧基等官能团，但是也不可避免的会破坏碳纳米管自身原有的完美的几何结构，在碳管表面造成缺陷，甚至会将碳管截断成长度较短的管状结构，这势必会削弱碳纳米管本来具有的各种优良性能。本文采用物理方法对碳纳米管进行了改性，保留了碳管的结构和性质不被破坏，得到了比较理想的实验结果。本实验共分为三个部分：第一，利用浓硝酸在超声的条件下将多壁碳纳米管进行纯化，以除去其中的杂质，同时保证碳纳米管的自身结构不遭破坏。利用室温下搅拌的方法将纯化后的碳纳米管与Eu(Ⅲ)-1,10-phenanthroline配合物进行复合，利用透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）对复合材料的结构及表面形貌进行分析，结果表明Eu(Ⅲ)-1,10-phenanthroline配合物均匀的包覆在碳纳米管的表面。元素分析显示，Eu(Ⅲ)离子与1,10-phenanthroline按照1：1的比例进行配位，体系中所投入的配合物几乎完全与碳纳米管发生复合，可以得到很高产率的复合材料。荧光光谱显示出Eu(Ⅲ)-1,10-phenanthroline配合物的特征光谱发生了一定的迁移，同时发射光谱的强度有所降低，这与文献报道相一致。导致这两种现象是由于配合物与碳纳米管之间存在着光电转化作用的结果。此外，对其导电性能进行分析，结果表明复合比例的改变并未引起复合材料导电性能的明显变化，一直稳定在7S/cm上下波动。热重分析显示复合材料的热稳定行要高于Eu(Ⅲ)-1,10-phenanthroline配合物。第二，利用原位聚合法，以第一部分所制得的复合材料为填料，使之与聚苯胺进行复合，得到了三相复合材料。利用ETIR和SEM对材料的组成和表面形貌进行了表征，结果显示聚苯胺成功的包覆在CNTs/Eu(Ⅲ)-1,10-phenanthroline的表面。荧光光谱显示复合材料的发射光谱强度很弱，这是由于一方面配合物与碳管之间存着这光电转换的作用，另一方面可能是由于聚苯胺对激发光和发射光谱都存在一定吸收，从而导致了发射光谱的减弱。热重分析显示复合材料的热稳定性要比纯的聚苯胺有很大程度的提高。第三，以聚乙二醇-400作为乳化剂，在室温搅拌的条件下将纯化的碳纳米管与纳米银粒子进行复合。透射电镜（TEM）显示，碳纳米管表面的黑色斑点显示，纳米银粒子成功的复合在碳管的表面。以此复合材料为填料，利用原位聚合法，使之与聚苯胺进行复合，通过红外光谱（FTIR）、和透射电镜（TEM）对复合材料的组成和结构进行了表征，结果显示聚苯胺成功的复合在碳纳米管的表面，并将碳管完全包覆在内。当CNTs/Ag填料的加入量达到0.35%时达到渗域滤值。材料的导电率从2.15 S/cm达到10.14 S/cm。热重分析显示复合材料的热稳定性明显优于纯的聚苯胺。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-30
  1.1 引言  10
  1.2 碳纳米管  10-19
    1.2.1 碳纳米管的性能及应用  12-15
      1.2.1.1 力学性能  12-13
      1.2.1.2 电学性质  13
      1.2.1.3 热学性能  13-14
      1.2.1.4 储氢性能  14
      1.2.1.5 其他性能  14-15
    1.2.2 碳纳米管的制备  15-16
      1.2.2.1 电弧放电法（arc discharge）  15
      1.2.2.2 化学气相沉积法（chemical vapor deposition，CVD）  15
      1.2.2.3 激光蒸发法（laser ablation）  15-16
    1.2.3 碳纳米管的纯化  16-17
    1.2.4 碳纳米管的表面修饰  17-19
      1.2.4.1 共价修饰  17-18
      1.2.4.2 非共价修饰  18-19
      1.2.4.3 管内填充  19
  1.3 聚合物/碳纳米管复合材料  19-20
    1.3.1 复合材料的制备  19-20
      1.3.1.1 共混法  19
      1.3.1.2 原位聚合法  19-20
    1.3.2 复合材料的性能  20
  1.4 本论文的研究意义及研究内容  20-21
    1.4.1 论文的研究意义  20-21
    1.4.2 论文的研究内容  21
  参考文献  21-30
第二章实验药品和实验仪器  30-32
  2.1 实验药品  30-31
  2.2 实验仪器及设备  31
  2.3 结构与性能表征  31-32
第三章 Eu(Ⅲ)-1,10-邻菲罗啉/碳纳米管导电荧光复合材料的制备及其性能研究  32-44
  3.1 引言  32-34
  3.2 实验部分  34-35
    3.2.1 碳纳米管的纯化  34
    3.2.2 硝酸铕溶液的配制  34-35
    3.2.3 Eu(Ⅲ)-1,10-邻菲罗啉配合物的制备  35
    3.2.4 Eu(Ⅲ)-1,10-邻菲罗啉/碳纳米管复合材料的制备  35
  3.3 结果与讨论  35-41
    3.3.1 扫描电镜（SEM）分析  35-37
    3.3.2 透射电镜（TEM）分析  37-38
    3.3.3 元素分析  38-39
    3.3.4 荧光光谱分析  39-40
    3.3.5 热失重（TG）分析  40-41
    3.3.6 导电性能分析  41
  3.4 结论  41-42
  参考文献  42-44
第四章 Eu(Ⅲ)-1,10-邻菲罗啉/碳纳米管/聚苯胺复合材料的制备及其性能研究  44-57
  4.1 引言  44-47
  4.2 实验部分  47-48
    4.2.1 Eu(Ⅲ)-1,10-邻菲罗啉配合物的制备  47-48
    4.2.2 Eu(Ⅲ)-1,10-邻菲罗啉/碳纳米管/聚苯胺复合材料的制备  48
  4.3 结果与讨论  48-53
    4.3.1 红外光谱（FTIR）分析  48-49
    4.3.2 扫描电镜（SEM）分析  49-50
    4.3.3 热失重（TG）分析  50-51
    4.3.4 导电性能分析  51-52
    4.3.5 荧光光谱分析  52-53
  4.4 结论  53
  参考文献  53-57
第五章聚苯胺/纳米银粒子/碳纳米管导电复合材料制备及其性能研究  57-67
  5.1 引言  57-58
  5.2 实验部分  58-59
    5.2.1 纳米银/碳纳米管复合材料的制备  58
    5.2.2 聚苯胺/纳米银粒子/碳纳米管复合材料的制备  58-59
  5.3 结果与讨论  59-64
    5.3.1 红外光谱（FTIR）分析  59-60
    5.3.2 透射电镜（TEM）分析  60-61
    5.3.3 热失重（TG）分析  61-62
    5.3.4 复合材料的电学性能分析  62-64
  5.4 结论  64
  参考文献  64-67
硕士期间论文发表及获奖情况  67-68
致谢  68

碳纳米管基导电复合材料的制备及其性能研究

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