碳納米管的功能化及其在復(fù)合材料中的應(yīng)用分析

沈夢楠

（松遼流域水環(huán)境教育部重點實驗室，吉林建筑大學(xué)，吉林長春 130118）

碳納米管的功能化及其在復(fù)合材料中的應(yīng)用分析

沈夢楠

（松遼流域水環(huán)境教育部重點實驗室，吉林建筑大學(xué)，吉林長春 130118）

碳納米管的結(jié)構(gòu)獨特，性能優(yōu)異，而且具備可以低成本大規(guī)模的獲得、良好的熱穩(wěn)定性以及可以調(diào)節(jié)的電子親和力等特點，成為眾多科學(xué)家關(guān)注的焦點，但是由于它不能夠溶于水和有機(jī)溶劑，在實際應(yīng)用方面也就受到了一定的制約，分析了碳納米管的共價功能化、非共價功能化、和混雜功能化的修飾方法，并對其在金屬基、聚合物基、陶瓷基等復(fù)合材料中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

碳納米管；功能化；復(fù)合材料；應(yīng)用

1 碳納米管概述

碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料，它于1991年被日本電子公司（NEC）飯島博士發(fā)現(xiàn)。碳納米管可以看作由單層或多層石墨片卷曲形成的無縫納米管，由碳的五元環(huán)和六元環(huán)在端頭組成的半球形封閉而成。通常單壁碳納米管直徑較小，在0.7-5nm之間，而多壁碳納米管的管壁層數(shù)不一，直徑較大。碳管是目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了的最細(xì)、最強(qiáng)的纖維材料之一，而且它具有較強(qiáng)的彈性和柔韌性，以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，所以被廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)復(fù)合性材料來改善復(fù)合材料的性能。雖然碳納米管具有極大的理論比表面積，但因其本身的憎水性和易聚集性限制了其應(yīng)用價值。因此需要對碳納米管進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男詠砜朔搯栴}。

1.1碳納米管的功能化

碳納米管的功能化，是指在制備復(fù)合材料時，根據(jù)其材料所需的特性來對碳管進(jìn)行有目的地修飾，它能有效地改善碳管的分散性，使碳管與聚合物之間的界面結(jié)合更加緊密。

1.1.1碳納米管的共價功能化

在碳納米管進(jìn)行進(jìn)一步功能化時都需要進(jìn)行共價功能化，共價功能化是用強(qiáng)氧化劑處理碳管，并將羧基（-COOH）、羥基（-OH）、氨基（-NH2）等各種活性基團(tuán)接在碳納米管得端口或者側(cè)壁上，從而使碳管的表面結(jié)構(gòu)得到改變，實現(xiàn)功能化。對碳納米管適當(dāng)?shù)母男圆粌H可除去碳納米管表面的雜質(zhì)，而且能引入不同種類的官能團(tuán)，提高吸附性能。陰強(qiáng)等利用Fenton反應(yīng)產(chǎn)生的-OH對碳納米管的碳碳雙鍵進(jìn)行羥基化加成，研究了 Fenton、US-Fenton以及UV-Fenton對碳納米管表面的影響。結(jié)果表明UV-Fenton反應(yīng)能夠在碳納米管表面引入大量羥基以及少量的羧基，且不會較大程度的破壞碳納米管的結(jié)構(gòu)。表面氧化不但在碳納米管外表面或內(nèi)表面引入羧基和羥基，并且增加了其比表面積和孔容的大小，使其在水溶液中的溶解度顯著增加[1]。

1.1.2碳納米管的非共價功能化

非共價功能化主要是指在不破壞碳管原來結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上利用表面活性劑、生物高分子化合物等通過ππ鍵相互作用、氫鍵、范德華力、靜電引力等非共價作用對納米管進(jìn)行物理吸附和包裹。Deepalekshmi等通過實驗對比了4組表面活性離劑對多壁管在膠體基質(zhì)中分散情況的影響，從而對炭納米管的非共價修飾對天然乳膠乳納米復(fù)合材料流變性能的影響進(jìn)行了研究。通過研究，可以發(fā)現(xiàn)非共價功能可以不破壞碳管的結(jié)構(gòu)而完全溶解于溶劑中，而且具有良好的分散效果，但是它也存在一個明顯的缺點，就是功能團(tuán)和碳管之間的非共價鍵作用比較弱，傳遞載荷的能力不強(qiáng)，在生物應(yīng)用方面不便。

1.1.3碳納米管的混雜功能化

由于共價功能化和非共價功能化都有各自的優(yōu)點和不足，所以有學(xué)者提出了混雜功能化，它主要是在保證碳管力學(xué)的前提下對碳管進(jìn)行共價功能化和非共價功能化包覆，在既保證碳管在聚合物材料中的分散性前提下又能增強(qiáng)碳管和聚合物材料的界面粘附力，荷載傳遞效率得到提高，強(qiáng)化碳管在聚合物材料中的應(yīng)用。它有效地結(jié)合了共價化和非共價化的優(yōu)點，但是目前碳納米管的混雜功能化還處于一個探索發(fā)展的階段。

2 碳納米管在復(fù)合材料中的應(yīng)用

碳納米管結(jié)構(gòu)獨特，性能優(yōu)良，具有化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，能夠?qū)щ妼?dǎo)熱，同時又能耐熱耐腐蝕，能夠較好的應(yīng)用于復(fù)合材料當(dāng)中。目前主要在金屬基、聚合物基、陶瓷基等復(fù)合材料中進(jìn)行了應(yīng)用。

在金屬基復(fù)合材料中，碳管可以有效地強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料的熱性能和力學(xué)性能，與此同時，碳管也會受到金屬離子的反作用，在兩者互相作用互相結(jié)合后，會使金屬基復(fù)合材料擁有更優(yōu)異的性能。

在聚合物復(fù)合材料中，有機(jī)聚合物由于容易加工，密度較低而且具有較好的柔韌性，能夠比較方便的和碳納米管進(jìn)行結(jié)合互補，采用化學(xué)鍵合作用、機(jī)械粘結(jié)和潤濕吸附都可以使兩者有效地實現(xiàn)融合，而且這種聚合物復(fù)合材料的綜合性能整體來說比較優(yōu)異，所以目前這一類材料也是目前這一領(lǐng)域的研究重點，而且也有了不少的嘗試，如徐洪軍將烷基胺通過共價鍵接合于碳納米管表面后與環(huán)氧樹脂進(jìn)行復(fù)合，發(fā)現(xiàn)加入1%的碳管就可以將環(huán)氧樹脂的斷裂韌性提高35%陶瓷材料本身由于共價鍵和復(fù)雜離子的鍵合以及復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)而具備能耐高溫抗磨損和質(zhì)量輕的優(yōu)點，所以在工業(yè)生產(chǎn)，航空航天和軍事方面的應(yīng)用較多，但是陶瓷材料過于脆性，韌度不夠，所以在實際使用時也受到了很大的制約。在陶瓷基復(fù)合物材料方面，主要是將碳納米管均勻的分散在陶瓷基材料上，通過斷裂橋聯(lián)和拔出作用使陶瓷基體增加韌度。

3 結(jié)束語

目前，碳納米管的修飾功能已經(jīng)成為一個重要的研究領(lǐng)域，在實際的應(yīng)用中也取得了一定的成效，而隨著科技的不斷發(fā)展，會有越來越多的新方法和新用途將不斷地涌現(xiàn)，碳納米管也將會更加充分地應(yīng)用到各個領(lǐng)域當(dāng)中。

[1] 陰強(qiáng)，李愛菊，孫康寧，等.試劑對碳納米管表面改性研究人[J].人工晶體學(xué)報，2009，38（6）：1481-1484.

[2] 谷獻(xiàn)模.功能化納米碳管及其復(fù)合材料的制備與催化性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[3] 王曉麗.碳納米管增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料[J].河北紡織，2011（2）：40-43.

Functionalization of Carbon Nanotubes and Its Application on Composites

Shen Meng-nan

Carbon nanotubes with unique structure and excellent performance，but also have can be obtained in low cost large scale，good thermal stability and can regulate the electron affinity of the characteristics to become the focus of attention of many scientists，but because it does not dissolve in water and organic solvents，in the practical application is restricted，this paper analyzes the covalent functionalization of carbon nanotubes，non covalent functionalization，and hybrid functional modifi cation methods，and analysis of its application in the base metal，polymer，ceramic and other composite materials.

carbon nanotubes；functionalization；composites；application

TB383.1

A

1003-6490（2016）01-0056-02

2016-01-27

沈夢楠（1984—），女，吉林長春人，講師，主要從事有機(jī)污染物環(huán)境歸趨、環(huán)境行為研究工作。