碳納米管內填充高分子複合材料製備與性質研究

《碳納米管內填充高分子複合材料製備與性質研究》是依託蘇州大學，由楊朝暉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：碳納米管內填充高分子複合材料製備與性質研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊朝暉
• 依託單位：蘇州大學

項目摘要

研究受限環境下高分子的物理化學特性一直是高分子界關注的焦點。本項目擬採用惰性高分子材料對垂直取向碳納米管陣列的空隙進行填充，然後藉助等離子刻蝕或超薄切片技術, 打開碳管連線埠,製備碳納米管陣列/高分子複合納米多孔膜。利用納過濾系統向碳管孔道內部引入高分子溶液或熔體，考察高分子材料在碳管內部一維受限空間中的傳輸,形變，取向, 玻璃化轉變等性質；此外還將考察內部經高分子填充或修飾後的碳管複合薄膜在物質選擇性分離和感測器等方面的套用。本項目的特點是利用惰性填充材料的禁止作用使得碳納米管孔道成為唯一的物質傳輸通道，避免目標高分子對碳管外壁的吸附與修飾，並提高填充效率。本工作希望能夠建立一套可控性好，簡單易行的製備碳納米管內部填充高分子複合材料的方法，在實驗的基礎上結合理論模型分析,研究受限環境下高分子的特殊性質，以及在水處理，物質分離等領域的潛在套用，在學術研究和實際套用方面都有重要的意義。

結題摘要

對於高分子材料而言,當環境尺寸減小到與高分子的均方旋轉半徑相當時,高分子就會表現出很多奇異的性質,如異常的鏈段運動特性及相轉變行為,特殊的光電性質及化學反應特性等,這些性質對於研究和開發新型高分子材料具有重要的意義,因此針對受限環境下高分子的物理化學特性研究一直是高分子界關注的焦點。碳納米管的空腔直徑可以在1納米至100納米之間靈活變化,該尺寸恰好與大多數高分子的均方旋轉半徑相當,是一個非常理想的受限空間。同時碳納米管內部為超疏水的石墨烯層,與高分子材料之間存在很多有趣的相互作用,如疏水相互作用和電荷轉移相互作用等,因此位於碳納米管內部的高分子與處於其他受限環境(如多孔氧化鋁)中的高分子材料的性質可能存在差異。然而超高的長徑比以及弱的潤濕性能都嚴重製約了高分子填充進入碳納米管。目前針對高分子在碳管內部受限行為的研究大多停留在理論模擬層面,實驗工作非常缺乏。本項目採用惰性環氧樹脂對垂直取向碳納米管陣列的空隙進行填充，然後藉助超薄切片技術,在充分保持原有碳納米管取向的同時,打開碳管兩端的連線埠,製備得到了取向排列的碳納米管陣列/環氧樹脂複合納米多孔膜。由於環氧樹脂良好的密封特性,使得碳納米管空腔成為唯一的物質傳輸通道，避免了目標高分子對碳管外壁的吸附與修飾。利用這種獨特的碳納米管多孔膜,我們構築了納米對擴散體系,藉助薄膜兩側濃度差或壓力差,驅動無機離子或有機小分子單體擴散進入直徑小於15nm的碳納米管內部,以碳納米管納米空腔為微反應器,採用了包括氧化還原聚合,電化學聚合,自由基聚合在內的多種聚合方法,原位反應製備了聚苯胺內填充碳納米管複合材料,水凝膠內填充碳納米管複合材料,以及無機納米功能材料內填充碳納米管複合材料,通過調整反應條件,對於填充物質的種類和數量進行了有效的調控。實驗發現聚苯胺內填充的碳納米管複合材料相比較聚苯胺外部修飾的碳納米管而言,具備更加優異的化學感測特性以及電化學性質,未來可以作為超靈敏氣體感測器或超級電容材料;而水凝膠填充的碳納米管複合薄膜則表現出有趣的溫度回響型離子擴散行為,未來可用於模擬離子通道,研究溫度控制的離子及藥物小分子的可控傳輸以及水處理等方面。本項目三年中共發表SCI論文6篇，其中1區論文4篇，獲得高分子馮新德獎1次，參加國內會議3次，國際會議2次，兩次口頭分會報告，共培養研究生8名，已畢業5人。