多壁碳纳米管的表面修饰及其在溶剂中的分散性
多壁碳纳米管掺溴及表面高分子修饰的研究
Ｅａ ｔＣｈ ｎ ｏ ｍａ ｉ ｅ ｓ ｔ ，Ｓｈ ｎ ａ ０ ０ ２， ｓ ｉ ａ Ｎ ｒ ｌ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｙ ａ ｇｈ ｉ２ ０ ６ Ｃｈｉ ａ） ｎ
ｅｅ ｔｉ ａ ｏ ｄ ｃ ｉ ｉｙ ｏ － Ｗ ＮＴｓ ｄ ｄ ｎ ｔｄ ｃ ｅ ｓ ． ｌｃ ｒｃ ｌ ｎ ｕ ｔｖｔ ｆＢｒ Ｍ ｃ ｉ ｏ ｅ ｒ ａ ｅ
Ｋｅ ｒ ｓ： Ｍ Ｗ ＮＴ ｓ；ｅｅｃｒｃ ｌｃ ｄｕｃ ｉｉｙ； ｐ ｙｓ ｙ ｅ ｅ； ｄ ｓ ｒ ｉ ｙ ｗｏ ｄ ｌ ｔ ｉａ ｏｎ ｔｖ ｔ ｏｌ ｔ ｒ ｎ ｉｐｅ ｓｏｎ
ｍ ｄ ｉ ｔｎｏ ｐｌ ｔｒ ｅｍ ｒｖｄｔｅ ｉ ｅ ｉ ｆ ｒ ｏｉｃ ｉ ｆ ｏ ｓ ｅ ｐｏｅ ｓ ｒ ｏ ｏ Ｂ－ ｆａ ｏ ｙ ｙ ｎ ｉ ｈ ｄ ｐ ｓ ｎ ＭＷＮ ｓｎｐｌ ｅ ｍ ｔｘｗ ｉ ｅ Ｔ ｏ ｍ ｒ ａ ｉ ｈｅ ｈ ｉ ｙ ｒ ｌｔ
文 章 编 号 ：０ ０５ ４ （ ０ ８ ０ —０ ４０ １ ０ －６ １２ ０ ） ５０ ８ —６
多壁 碳 纳 米 管掺 溴及 表 面 高 分 子 修 饰 的研 究
唐国强， 梁 旦， 韩菲菲， 王红敏 ， 晋圣松， 徐学诚
（ 东 师 范 大 学 物 理 系 纳 米 功 能 材 料 与 器 件 研 究 中心 ， 海 华 上 ２０６） ０ ０ ２
摘 要 ：用 溴作 为 掺 杂 剂 ， 过 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ壁 碳 纳 米 管 （ 通 ＭＷＮＴｓｍｕｔ ｗ ｌｄｎ ｎ ｔｂ ｓ 吸 附 溴 提 高 其 电 ， ｌ— ａｌ ａ ｏｕ ｅ ） ｉ ｅ
多壁碳纳米管的化学功能化改性及分散性研究
硅烷化 改性 处理 。采用 Ｆ ＿ Ｒ， Ｄ ， Ｅ ＵＶ对酸氧化和硅烷化后的 ＭＷＣ Ｔｓ ］＿ Ｅ Ｓ Ｓ Ｍ， 、 Ｉ Ｎ 进行 了表征分析。结果表 明： 经硝
酸在 １０ 酸 氧 化 处 理 后 ， ２℃ ＭＷＣ ＮＴｓ的 形 貌 发 生 明 显 变 化 ， 米 管 间 的 缠 结 减 少 ； 硅 烷 偶 联 剂 改 性 处 理 后 的 纳 经
浙
江
理
工
大
学
学
报 Βιβλιοθήκη ２１ ０ ０年第２ ７卷
（ 山禾 创超声 仪器 有 限公 司） 昆 ；Ｎｉ ｌｔ７ ０智 能 傅里 叶变 换 红 外 光谱 仪 （ ＴＩ 美 国热 电公 司 ） 能谱 仪 ｃ ｅ５ ０ ｏ Ｆ Ｒ， ； （ ＤＳ 英 国 Ｉ Ａ 公 司） ￣４ ０ Ｅ ， ＮＣ ； ８ ０型场 发射 扫描 电镜 （ Ｅ Ｓ Ｍ ， Ｆ — Ｅ 日立公 司） Ｕ一０ ０型紫外 可 见光 谱 仪 （ ； ３１ ＵＶ，
收稿 日期：２ ０ —１ —１ ０９ ２ ７ 基金项 目：浙江省科技厅重大纺织专项资助项 目（ ０ ７ ４ ０ ；０ ８ １８ ） ２０ Ｃ１０ ８ ２ ０ Ｃｌ０ １
作 者 简 介 ：单 燕 君 （ ９ ４ ）男 ， 北 石 家 庄 人 ， 士研 究 生 ， １８ － ， 河 硕 主要 从 事 功 能 纤 维及 其成 型技 术 的研 究 。 通讯 作 者 ：张顺 花 ， 电子 邮箱 ：ｓ ｈｊ １３ ｃｒ ｚｈ ｚ ６ ．ｏ ｌ ＠ ｎ
ＭＷＣ ＮＴｓ 面接枝 了官能团及低 聚物 ； 学处理 可改善 ＭＷＣ ｓ的 分散稳 定性 ， 表 化 ＮＴ ＭＷＣ Ｔｓ悬浮液 在静 置 ２ Ｎ ０ｈ
后 ， 浓度 仅 降低 不到 ５ 。 其
关 键 词 ： 纳 米 管 ；化 学 修 饰 ； 散 性 能 ；机理 碳 分 中图 分 类 号 ： Ｂ ３ Ｔ ３２ 文献 标 识 码 ：Ａ
多壁碳纳米管在含非离子表面活性剂Trition X-100溶液中的分散性
本实 验 以非 离子 表面 活性剂 曲拉通 （ ｒｉ －０ ） 分 Ｔ ｉｏ Ｘ １０作 ｔｎ 散剂 ， 或者醇 一 的混合 溶液 作溶剂 ， 备碳 纳米管悬 浊液 。 水 水 制
采用紫外一 可见（ ＿ ｉ 吸收光谱对碳纳米管悬浊液的浓度 ＵＶ Ｖ ｓ ）
进行 定量 分析 ， 究悬 浊液 的分 散 效 果 。同 时 ， 用 透 射 电 研 采 子显 微镜 （ Ｅ 定 性分 析非共 价功能 化处 理 的碳 纳米管 。 Ｔ Ｍ）
郑顺丽 ： ，９ ６年 生， 女 １８ 硕士研 究生 ， 究方向为金属腐蚀与 防护 研
司； 丙醇 （ ， 析 纯， 异 Ｃ Ｈ ０） 分 南京 化学 试 剂 厂； 乙二 醇 （ ｓ ， 析 纯 ， 东 光华 化 学 厂 有 限公 司； 三 醇 ＣＨ ０ ）分 广 丙 （ 。 。 。， ｃ Ｈ ０ ）分析纯， 成都市科龙化工试剂厂； 蒸馏水 。
过 ＵＶ－ ｓ吸收光谱 进行定 量分 析 。 Ｖｉ
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（ — ＰＣ Ｈ８ 。 ） Ｏ —。 ０ 则分 别记 为 Ｄ、 、 、 Ｈ Ｅ Ｆ Ｇ。
１３ 碳 纳米管 及 其悬浊 液 的表征 ．
碳 纳米 管悬浊 液超 声后 ， 用 ＵＶ Ｖｓ 采 ＿ ｉ 分光 光 度 法对 碳 纳米管 悬浊 液的浓 度进行 定量 分 析 ， 通常 碳纳 米 管悬 浊 液 的 质量 浓度 大 于 ０ ２／ ．ｇ Ｌ时吸 收太 强 ， 先 将 其稀 释后 再 测 吸 要
０ 引言
碳 纳 米 管 （ ａｂｎｎｎ ｔｂ ｓＣ ｓ 自问世 以来ｕ ， Ｃ ｒｏ ａｏｕ ｅ， ＮＴ ） ］因 具 有优 异 的力学 性能 、 电学性 能及 传热 性 能 引起 越来 越 广 泛 的关注 口 。碳纳 米管 的硬 度与 金 刚石 相 当， 拥 有 良好 的 柔 ］ 却
碳纳米管 分散剂
碳纳米管分散剂
碳纳米管是近年来发展迅猛的新型纳米材料，它的重要性在于其
在电化学和物理方面的表现优异，在科学以及工业领域都能发挥巨大
的作用。
碳纳米管因其小尺寸、导电性能、高率的表界面积等特征而
成为当今最受研究关注的1类纳米材料。
然而，碳纳米管的分散和悬
浮性是研究碳纳米管制备和应用过程中的主要障碍。
因此，有必要研发出碳纳米管的分散剂。
碳纳米管的良好的分散
性可以在有限的条件下有效地分散碳纳米管，使其不结块，从而更加
平均地涂在表面上并形成细腻的薄层，提高表面碳纳米管的比例；碳
纳米管的悬浮剂可以有效地改善运输和喷涂过程中因结块而影响效果，从而实现良好的悬浮效果。
碳纳米管的分散剂分为水性分散剂和有机分散剂两类。
水性分散
剂以水为溶剂，具有较强的溶解度和分散度，能够有效的使碳纳米管
在水中较为均匀分散;有机分散剂以有机溶剂为基础，具有良好的悬浮性，可大大改善碳纳米管在水溶液中的分散状况，提高涂层碳纳米管
表面积。
当今，碳纳米管的分散剂因其对碳纳米管的分散改性作用，尤其
是在分散控制、膜涂层、复合材料和高分子材料中得到广泛应用，具
有重要的实际意义。
综上所述，碳纳米管的分散剂对于碳纳米管的使用和应用是至关
重要的，它的发展可以将碳纳米管的应用范围扩大到很多新的领域，
更好地改善人们的生活。
羟基化多壁碳纳米管
羟基化多壁碳纳米管随着科技的进步和人类对材料性质的深入研究，碳纳米管(CNTs)被越来越广泛地应用于各个领域。
碳纳米管具有很高的强度、导电性、导热性和化学稳定性，因此在电子学、化学、材料学、医学和能源等领域都有着广泛的应用。
然而，碳纳米管的应用过程中还存在一些问题，例如，由于其表面的亲疏水性质以及化学反应的限制，使得其在水中的分散性较差，不能充分发挥其性能。
为了解决这个问题，科学家们在碳纳米管表面引入羟基(-OH)基团，使其具有亲水性，从而提高了其分散性和可溶性。
这种处理过的碳纳米管被称为羟基化多壁碳纳米管(OH-MWCNTs)。
在本文中，我们将讨论羟基化多壁碳纳米管的制备方法、性质和应用。
制备方法羟基化多壁碳纳米管的制备方法主要包括两步：第一步是氧化，将碳纳米管表面上的羰基(-COOH)基团引入，这可以通过在硝酸和浓硫酸混合物中进行氧化来实现。
第二步是还原，将羰基还原为羟基，这可以通过使用水合肼或亚磷酸还原剂来实现。
此外，还有一些其他的制备方法，例如，利用超声波或高温等条件将羟基化剂或化学还原剂与碳纳米管混合，使其表面羟基化。
这些方法都可以有效地将羟基引入碳纳米管表面，从而改善其亲水性和分散性。
性质羟基化多壁碳纳米管的性质主要包括其表面性质和物理性质。
表面性质包括亲水性、分散性和化学反应性。
亲水性是指羟基化后，碳纳米管表面的水接触角变小，表现出更好的亲水性。
分散性是指羟基化后，碳纳米管能够更好地分散在水中，不会聚集在一起。
化学反应性是指羟基化后，碳纳米管表面的化学反应性增强，可以与其他化合物发生反应，从而扩展其应用范围。
物理性质包括电学性质、热学性质和力学性质。
电学性质是指羟基化后，碳纳米管的电导率和电容率都有所改善，更适合用于电子学领域。
热学性质是指羟基化后，碳纳米管的导热性能增强，更适合用于热管理领域。
力学性质是指羟基化后，碳纳米管的强度和硬度都有所提高，更适合用于材料学领域。
应用羟基化多壁碳纳米管的应用范围非常广泛，其中包括电子学、化学、材料学、医学和能源等领域。
碳纳米管表征
碳纳米管材料的结构形态表征摘要碳纳米管(CNTs)不仅具有独特的一维管状纳米结构，同时也是迄今为止发现的唯一同时具备超高机械力学性能、热性能和电性能的先进材料。
本文首先总结了碳纳米管的结构特点，接着对X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对碳纳米管结构形态的表征作了简要的阐述。
关键词碳纳米管结构形貌XRD SEM TEM1前言碳纳米管，又名巴基管，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管组成，是1991年由日本电镜学家饭岛发现的。
一经发现，便在各个领域掀起了碳纳米管的研究热潮，研究的内容包括：碳纳米管的制备、性能及应用。
通过研究人们发现气相沉积法可以大规模地合成碳纳米管，使得碳纳米管的成本得到有效的降低，这也为碳纳米管的应用提供了坚实的基础。
碳纳米管(CNTs)不仅具有独特的一维管状纳米结构，同时也是迄今为止发现的唯一同时具备超高机械力学性能、热性能和电性能的先进材料。
作为一种高性能的纳米材料，碳纳米管在材料科学、传感技术和生物医学等方面具有广泛的应用前景，如作为工程材料的增强相、制作各种分子器件仞、生物、化学传感器、分子探针阎以及作为储氢、储能材料等。
但是由于CNTs之间强烈的范德华力存在以及CNTs大的长径比以及它的单空位缺陷，使得CNTs往往集结成束，而且由于CNTs本身所具有的难溶性和难处理性，使用完整的CNTs来构筑先进的器件仍然是一个难题。
近年来，越来越多的科研人员开始从事碳纳米管的功能化的相关工作，研究探讨碳纳米管的表征就显得相当重要。
2碳纳米管的结构及其XRD表征2.1碳纳米管的原子结构碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，可看作是由片层结构的石墨卷成的无缝中空的纳米级同轴圆柱体，两端由半个富勒烯分子封项。
根据碳纳米管管壁的层数，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，单壁碳纳米管可看成是由单层片状石墨卷曲而成的圆柱结构，而多壁碳纳米管可理解为多个不同直径的单壁碳纳米管相互嵌套而成，各管壁间间距约0.34 nm。
羟基化多壁碳纳米管
羟基化多壁碳纳米管羟基化多壁碳纳米管是一种新型材料，具有广泛的应用前景。
在人们关注碳纳米管这一新材料的同时，羟基化多壁碳纳米管也引起了科学家和研究人员的极大关注。
下面将介绍羟基化多壁碳纳米管的性质、制备方法及其应用领域。
羟基化多壁碳纳米管的性质羟基化多壁碳纳米管是一种管状结构的纳米材料，其外径通常在10-100纳米之间，长度可达数微米。
其内部结构由多层石墨烯层垂直地堆叠而成，形成了纤维状结构。
由于碳原子结构的特殊性质，羟基化多壁碳纳米管具有如下性质：1.优异的力学性能：羟基化多壁碳纳米管具有很高的韧性和强度，在力学性能上比起单壁碳纳米管和多壁炭纤维都要更出色。
2.优异的导电性能：羟基化多壁碳纳米管具有很高的电导率，动力学响应速度快，因此在传感器、电池、超级电容器等领域具有潜在应用价值。
3.良好的生物相容性：羟基化多壁碳纳米管具有良好的生物相容性，可用于生物医学领域。
研究数据表明，在一定浓度下，羟基化多壁碳纳米管对细胞有刺激作用，但对细胞的生长和分裂没有影响。
制备方法常见的制备羟基化多壁碳纳米管的方法有两种：一种是在碳纳米管表面进行化学修饰；另一种是通过纯粹的物理方法，例如等离子体处理。
1.化学修饰法：这种方法通常使用亲水性或胶原蛋白等化学物质来修饰碳纳米管表面。
需要注意的是，为了避免损害碳纳米管的结构，必须选择化学反应温和的化学物质。
在修饰完成后，碳纳米管的表面会变得亲水性，易于在水溶液中分散，从而具备了其它应用的前提。
2.等离子体处理法：这种方法涉及到给碳纳米管表面施加能量，夹杂的氧离子和氮离子则会与表面反应，获得清洁的官能团。
氧离子和氮离子会将表面的羰基和羟基等官能团置换掉，从而实现羟基化的目的。
应用领域羟基化多壁碳纳米管由于其优异的性能和多样的制备方法，使得它在多个领域都能得到应用。
1.嵌入式传感器：羟基化多壁碳纳米管可用于制备高灵敏度、高精度的传感器。
例如，使用羟基化多壁碳纳米管作为传感器的电极，进行化学灵敏度分析，可以大幅提高传感器的灵敏度，并能够对生物样品产生极佳的响应。
多壁碳纳米管表面基团_理论说明
多壁碳纳米管表面基团理论说明1. 引言1.1 概述多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes，简称MWCNTs）是一种具有特殊结构和优异性能的纳米材料。
它们由许多同心圆形套筒状的碳纳米管层级组成，其外径和内径可以在纳米尺度范围内调控。
MWCNTs因其高比表面积、优良导电性、机械强度和化学稳定性等特点，在各个领域引起了广泛的关注和研究。
1.2 文章结构本文主要围绕多壁碳纳米管表面基团展开详细讨论。
首先介绍了多壁碳纳米管及其相关概念，进而对表面基团及其意义进行阐述。
接下来，对多壁碳纳米管表面基团的分类与特性进行了系统总结。
然后，对多壁碳纳米管表面基团的制备方法进行了综述，包括化学修饰方法、物理修饰方法和生物修饰方法。
最后，对多壁碳纳米管表面基团在催化剂载体应用、电化学传感器应用和药物传递系统应用等方面的研究进展进行了综合评述。
通过对这些内容的分析和总结，旨在揭示多壁碳纳米管表面基团的重要性以及其在各个应用领域的潜力。
1.3 目的本文旨在从理论角度对多壁碳纳米管表面基团进行深入解析，并综述其制备方法以及在不同应用领域的研究进展。
通过对相关文献的综合分析和整理，为读者提供一个全面了解多壁碳纳米管表面基团特点和应用价值的参考资料。
同时，本文也可为后续研究提供一定的指导，促进学术界对于多壁碳纳米管表面基团领域的深入探索与发展。
2. 多壁碳纳米管表面基团的定义和特性2.1 多壁碳纳米管的基本介绍多壁碳纳米管是由多层同心圆筒结构组成的纳米材料，每个同心圆筒都是一个独立的单壁碳纳米管。
它们具有较大的比表面积、优异的机械性能和独特的电学特性，在多个领域具有广泛应用潜力。
2.2 表面基团的概念及其意义表面基团指附着在材料表面上的化学官能团或小分子，可以通过与周围环境相互作用来调控材料的性质和功能。
对于多壁碳纳米管而言，表面基团可以改变其电荷状态、增强其稳定性、调节其溶解度以及改善其与其他物质之间的相互作用等。
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第37卷第6期2009年6月化 工 新 型 材 料N EW CH EMICAL MA TERIAL S Vol 137No 16・61・基金项目:江西省自然科学基金(24064001)和江西省教育厅科技重点项目(20072126)资助作者简介:周小平(1983-),男,在读硕士研究生,主要研究方向:碳纳米管及其复合材料。
联系人:侯豪情。
多壁碳纳米管的表面修饰及其在溶剂中的分散性周小平 余腊妹 郭乔辉 周政平 侯豪情3(江西师范大学化学化工学院,南昌330022)摘 要 利用高温催化裂解生长多壁碳纳米管,用硝酸氧化使其表面羧酸化,并经酰氯化后与十二烷基胺反应形成表面酰胺化,通过红外、核磁、微量热天平等方法进行表征。
结果表明:硝酸氧化后的碳纳米管在水等强极性溶剂中有良好的分散性;酰胺化后,十二烷基脂肪链使碳纳米管表面极性大为降低,因此在氯仿等弱极性溶剂中有良好的分散性。
关键词 碳纳米管,表面修饰,分散性,十二烷基酰胺Surface modif ication of multiw alled carbon nanotubes andtheir dispersion in solventsZhou Xiaoping Yu Lamei Guo Qiaohui Zhou Zhengping Hou Haoqing(Instit ute of Chemist ry and Chemical Engineering ,Jiangxi Normal University ,Nanchang 330022)Abstract Multiwalled carbon nanotubes ,formed by catalysis pyrolysis ,were dealt with concentrated nitric acid toproduce the surface 2carboxylated carbon nanotubes.The later was treated with thionyl chloride and dodecyl amine to form the surface 2amidated carbon nanotubes.Characterized using IR 、NMR 、T GA.The carbon nanotubes ,treated with nitric acid had a good dispersion in strong 2polar solvent i.e.water due to the strong polarity on their surface ;The surface 2amid 2ated ,had a low polarity ,which made them a good dispersion in low 2polar solvent i.e.chloroform.K ey w ords carbon nanotube ,surface modification ,dispersion ,dodecyl amide 碳纳米管(CN Ts )自发现以来因其优良的力学、电学和热学性能受到广泛关注[1]。
随着碳纳米管的合成技术和纯化研究的不断完善[2],人们的研究兴趣主要集中在碳纳米管的应用领域。
但碳纳米管是既不溶于水也不溶于有机溶剂,而悬浮液又易团聚的物质,这种难于分散的性质限制了其在许多领域的应用。
对碳纳米管进行表面化学修饰,改善其表面性能是解决碳纳米管分散性和溶解性的有效途径[3]。
化学修饰法是使碳纳米管与改性剂[4]之间进行化学反应,改变碳纳米管的表面结构和状态,达到改性目的。
常用的是强酸或混酸使碳纳米管表面的缺陷氧化成羧基,然后利用醇类或胺类化合物与之作用形成酯或酰胺[5],而改善碳纳米管的溶解性和分散性。
Liu Jie 等[6]用浓硫酸和浓硝酸的混合物氧化碳纳米管,将之裁剪成端头上带羧基的150～180nm 的“短管”。
在此基础上,Chen Jian 等[7]通过羧基和氨基的反应,在碳纳米管的端头连接上了十八胺和42十四烷基苯胺。
这些经修饰的碳纳米管可溶于氯仿、二氯甲烷及芳香族溶剂等。
此法在引入羧基的同时,碳纳米管的尺寸被截断得较短,降低了其长径比,也破坏了碳纳米管的部分管壁结构。
Shi Zujin 等[8]成功制备出了碳纳米管的水溶胶并测定了它的三阶光学非线性,证明碳纳米管在光信息过程中有潜在应用价值。
这些工作为研究碳纳米管的表面修饰和化学改性开辟了新途径。
本实验以甲苯为碳源,二茂铁为催化剂制备碳纳米管,用浓HNO 3将其羧酸化,并将羧基酰氯化后与十二胺反应,形成脂肪族烷基酰胺修饰的碳纳米管。
这样修饰的碳纳米管在三氯甲烷等有机溶剂中具有良好的溶解性和分散性,为制备高性能的聚合物/碳纳米管复合材料,如电纺聚酰亚胺/碳纳米管复合纳米纤维,奠定了基础。
1 实验部分111 仪器及试剂红外光谱分析仪(FTIR ):WQ F 2410型(Bruker );热失重分析仪(T GA ):XM T 21型(上海祖发实业有限公司);旋转蒸发仪:RE 252AA (上海亚荣生化仪器厂);核磁共振仪:AV400,400M Hz (Bruker 公司);高温反应炉(上海电炉厂),配有110cm 长,45cm 内径的钢质管式反应器。
碳纳米管(CN Ts ):自制;二茂铁(AR ),广东省汕头市西陇化工厂;甲苯(AR ),天津市福晨化学试剂厂;十二胺(98%,AR ),阿法埃莎化学有限公司;氯化亚砜(SOCl 2,AR ),北京化学试剂厂;浓硝酸,南昌市鑫光化学试剂厂;N ,N 2二甲基甲酰胺(DMF ,AR ),天津市福晨化学试剂厂;H 2(99199%),华东特种气体有限公司;氩气(99199%),华东特种气体有限公司。
112 碳纳米管的合成及表面修饰11211 碳纳米管的合成以甲苯为碳源、二茂铁为催化剂,硅片为基底的化学气相沉积法(CVD )制取碳纳米管(CN Ts ),制备装置如图1所示。
将二茂铁按215%比例溶解在甲苯中,通过注射器间歇式注入反应器端部气化,以H 2和Ar 的混合气作为载气,将甲苯和二茂铁的混合蒸气送入反应器的高温区,在700～750℃下裂解并在硅衬底上形成多壁碳纳米管。
反应结束后,在氩气气氛中冷却至室温,取出所得碳纳米管。
图1 碳纳米管合成装置示意图11212 碳纳米管的羧酸化处理将上述所制备的碳纳米管310g 置于250mL 的烧瓶中,加入120mL 浓HNO 3,于120℃回流12h 后冷至室温,用去离子水洗至中性,70℃真空干燥24h ,得到羧酸化CN Ts 。
11213 碳纳米管的酰胺化处理将015g 羧酸化的CN Ts 置于250mL 的双颈烧瓶中,加入95mL SOCl 2和015mL DMF ,于70℃回流24h 后将过量的SOCl 2在常压下蒸出,再加入无水甲苯50mL ,并常压蒸出,重复加入无水甲苯50mL ,至蒸出物无SOCl 2气味。
冷至室温后,将反应系统接上油泵减压,升温至100℃,真空抽尽残留在反应系统中的甲苯和SOCl 2。
然后通入氩气至系统恢复常压,加入10g 十二胺。
于90℃回流6h 。
反应混合物在室温下加入50mL 无水乙醇稀释过滤,去除多余的十二胺,重复此过程3次。
将滤出的酰胺化碳纳米管粗产品溶于100mL 二氯甲烷中,过滤收集滤液。
将滤液在旋转蒸发仪上蒸干,收集产物。
60℃真空干燥24h ,即得酰胺化的碳纳米管。
113 结构表征FTIR 测试:采用K Br 压片,透射吸收模式;T GA 分析:空气气氛,升温速率为10℃/min ,升温间距为50～800℃;核磁谱分析:布鲁克400M Hz 核磁仪,CDCl 3溶剂,1H 2NMR 谱。
2 结果与讨论211 结构分析图2显示的是经硝化处理、酰胺化修饰和未经任何处理的3种碳纳米管的红外光谱图。
图2 碳纳米管的红外光谱图图2a 是未处理的CN Ts ,在3448cm -1和1620cm -1出现两个吸收峰,这是碳纳米管表面上吸附的水分子所引起的吸收峰[9]。
经羧酸化处理后(图2b ),除了在3448cm -1出现更明显的O 2H 吸收峰外,在1734cm -1和1205cm -1分别出现C =O 和C 2O 的伸缩振动峰。
图2(c )显示了十二酰胺化修饰后,CN Ts 的红外光谱在3310cm -1处出现了强的N 2H 伸缩振动峰,1648cm -1处和1520cm -1处出现了典型的酰胺I 带和II 带吸收峰。
同时,十二烷基上的甲基和亚甲基在2924cm -1和2854cm -1处出现强的伸缩振动吸收。
以上红外光谱分析表明,碳纳米管经硝酸氧化后,在管壁上可引入羧基;羧化的碳纳米管与SOCl 2反应生成酰氯,后者和十二胺反应,生成酰胺化修饰的碳纳米管。
而图2b 中的1574cm -1峰是碳纳米管管壁的E 1μ[10]振动模式所致,它表明碳纳米管上石墨结构的存在,预示着CN Ts 的整体结构在硝酸氧化过程中没有被破坏。
1H 2NMR (CDCl 3)核磁共振谱见图3。
十二酰胺基中脂肪链上质子的化学位移为:0188ppm (3H ,s ,CH 3),1126ppm (20H ,s ,10×CH 2)和3130ppm (2H ,s ,CH 2);酰胺氮上质子的化学位移是7144ppm (H ,s ,1×N H )。
结果表明,碳纳米管的表面上成功地修饰了十二胺,二者之间通过酰胺键连接。
图3 表面酰胺化的多壁碳纳米管的1H 2NMR 共振谱(在氘代氯仿中)212 耐热性分析原合成的碳纳米管、硝酸氧化处理和酰胺化修饰的3种碳纳米管在空气气氛中的热失重分析如图4所示。
酰胺化修饰碳纳米管的5%失重温度为275℃,羧酸化的为370℃,而原碳纳米管的为550℃。
在空气气氛中,可认为修饰在碳纳米管表面上的有机物在400℃温度下会被完全分解,而此时碳纳米管则基本无分解。
因此,此温度所对应的失重部分应该是全部由碳纳米管表面上有机修饰物的分解所致,与这个温度对应的羧基化的碳纳米管的失重率是6%,而酰胺化的碳纳米管的失重率是8%(见图4中虚线所示)。
1mol 羧基的重量是45g ,1mol 十二胺酰基的重量是212g ,如果氧化产生的都是羧基,则可计算,由羧基化碳纳米管转变为酰胺化碳纳米管的酰胺化率为6316%。
图中曲线也显示了3种碳纳米管在空气气氛中都有烧不尽的残留物(以金属氧化物的形式存在),其中以原碳纳米管的残留最多,有大约10%的重量,而其它两种有1%～2%的残留量,说明样品中有少量金属催化剂存在,即使经过硝酸处理,也不能除尽。