碳纳米管的表面改性、分散及成膜研究

【摘要】碳纳米管具有优良的力学、导电和导热性能,由其制备的透明薄膜具有较高的导电性,并可以与柔性基材兼容,所以近年来碳纳米管薄膜在塑料基材电路、柔性太阳能电池、发光二极管以及显示器等研究领域中占据重要的地位。本论文首先分别采用化学氧化法和非共价功能化法制备出碳纳米管的分散体系,随后基于不同的分散体系发展出几种不同的成膜方法,最后探讨了过硫酸铵水溶液对碳纳米管薄膜的掺杂改性效果。论文取得的主要结果如下：1、在本论文所采用的过硫酸铵(APS)水溶液化学氧化法中,以不同浓度的过硫酸铵(APS)水溶液在不同温度下对单壁碳纳米管(SWNTs)进行氧化处理。傅立叶变换红外光谱(FTIR)以及X光电子能谱(XPS)结果显示SWNTs的管壁上引入了大量羟基、羰基和羧基等含氧基团。处理后的碳纳米管可以分散在水或二甲基甲酰胺(DMF)等极性溶剂中。原子力显微镜结果显示,当反应温度较低(如40℃)或者APS浓度较低(如5%)时,氧化处理所得到的SWNTs长度保持不变,而当反应温度为80℃且过硫酸铵浓度较高时,碳纳米管可以被截断成短管。对于多壁碳纳米管(MWNT),除了截断现象以外,高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和XPS结果还显示了碳纳米管管壁存在被层层刻蚀的现象。该方法在规模化制备可溶性截断的碳纳米管领域具有潜在的应用价值。2、分别以表面带有负电荷的双向拉伸聚丙烯(BOPP)以及聚对苯二甲酸乙二醇脂(PET)为基材,以聚烯丙基胺盐酸盐(PAH)或聚二甲基二烯丙基氯化胺(PDDA)为聚阳离子,以APS氧化处理后的SWNTs为聚阴离子,依靠静电吸引作用和氢键作用进行层层自组装(LBL),从而在PET和BOPP基材表面获得SWNTs的导电复合薄膜,并详细分析了高分子种类(PAH和PDDA)、SWNTs改性程度、溶剂、高分子水溶液浓度和SWNTs溶液浓度等因素对SWNTs的吸附量以及薄膜导电性的影响。紫外可见光谱和方块电阻测试结果表明,将10%APS水溶液70℃氧化处理4h的SWNTs配制成0.05mg/ml的水溶液,与0.5mmol/ml的PDDA水溶液进行LBL组装时,能获得最佳组装效果。LBL组装层数为20双层时,所得的SWNTs复合薄膜的电导率分别为4.57S/cm(PET基材表面)和2.12S/cm(BOPP基材表面)。3、以十六烷基三甲基氢氧化铵(CTAOH)/对甲苯磺酸蠕虫状胶束体系作为分散体系,非共价地分散SWNTs,从而获得流变性能对温度和剪切速率敏感的SWNTs分散体系。并利用这一特性,采用辊涂法在PET表面制备出SWNTs透明导电薄膜。SEM和AFM结果显示该方法可以在较大范围内制备SWNTs薄膜,XPS表征证实薄膜中的残余表面活性剂可以通过浸泡在水和乙醇的混合溶液中,然后进一步在乙醇中抽提的方法除去。在透光率为78%时,SWNTs薄膜的方块电阻可达1086Ω/sq,氯化亚砜掺杂后,进一步下降到480Ω/sq。同时,研究表明,采用辊涂法制备SWNTs薄膜的方法可以推广到MWNTs、氧化石墨烯(GO)以及银纳米线等纳米材料的薄膜制备中。由于辊涂法已经广泛的应用于工业界,因此本方法在大规模的制备不同纳米材料薄膜领域具有极高的价值。4、以1mol/L的APS水溶液浸泡处理SWNTs薄膜,紫外可见光近红外光谱(UV-vis_NIR)表征显示APS水溶液与SWNTs薄膜之间可以发生电荷转移掺杂效应。四探针电阻仪的测量结果显示温度以及氢离子浓度对掺杂过程有着明显的影响,SWNTs薄膜的导电性能随着温度的降低以及氢离子浓度的升高而升高。当掺杂温度为0℃时,SWNTs薄膜的方块电阻约下降2.5倍。常温下,掺杂后的SWNTs薄膜可以稳定72h左右,随着时间的延长,薄膜方块电阻逐渐回复到掺杂前的状态。
【作者】谢景毅；
【导师】杨万泰；
【作者基本信息】北京化工大学，高分子化学与物理，2011，博士
【关键词】碳纳米管；柔性基材；化学改性；非共价功能化；透明导电薄膜；掺杂；

【参考文献】
[1]莫艳清.浙江社会发展的理论、经验与对策——浙江省社会学学会2013学术年会综述[J].浙江树人大学学报(人文社会科学版),2014,03:86-90.
[2]桂惠明.1、上尿路移行细胞癌预后因素研究进展2、甘肃省临洮县新添中心卫生院基本药物政策实施绩效调查[D].兰州大学,外科学,2013,硕士.
[3]陈晓洁.云南省巧家县马树红毡的传统制作工艺及保护研究[D].云南农业大学,科学技术史,2014,硕士.
[4]朱伟.基于马赫数分布规律的高超矩形转圆内转式进气道设计研究[D].南京航空航天大学,航空宇航推进理论与工程,2012,硕士.
[5]周京.公益信托监管法律问题研究[D].北方工业大学,法学,2013,硕士.
[6]苗收谋.强流脉冲离子束辐照Ti基金属材料表面烧蚀作用研究[D].大连理工大学,材料学,2004,硕士.
[7]李梦杰.留守儿童新闻报道研究[D].苏州大学,传播学,2013,硕士.
[8]李大勇.河北省坝上地区生物多样性评价[D].内蒙古农业大学,林业,2013,硕士.
[9]任兴权.近代控制理论在电力拖动系统中的应用[J].冶金自动化,1985,04:33-39+64.
[10]王坚.动力环境集中监控系统及节能管理设计[D].西南交通大学,材料科学与工程（专业学位）,2013,硕士.
[11]严东宾.基于MULTI-TASK LASSO的英文词对间关系相似度算法[D].华东师范大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[12]郭志萍,董志勇.掺气条件下水流空化特性的研究[J].水力发电学报,2013,01:113-117+131.
[13]郑博.社会工作中新闻媒体的运用和作用研究[D].华中师范大学,社会工作,2013,硕士.
[14]梁青.初中化学高效课堂建设的现状调查与对策研究[D].鲁东大学,教育管理（专业学位）,2013,硕士.
[15]纪晓楠.企业薪酬动态诊断系统研究[D].吉林大学,企业管理,2013,硕士.
[16]杨璐,徐东辰,尚帆,王元清,张勇.双相型不锈钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定性能试验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2015,02:364-369.
[17]刘光庆.山东省工会维权问题研究[D].山东大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[18]吴强.论公证遗嘱的效力[D].华东政法大学,民商法学,2012,硕士.
[19]陈若尘.航磁异常查证数据采集与成图研究[D].中国地质大学（北京）,大地测量学与测量工程,2013,硕士.
[20]赵华.Gli1及Notch1在腺样囊性癌中的表达及患者预后分析[D].蚌埠医学院,肿瘤学,2013,硕士.
[21]任亚杰,黄文登.石墨烯的晶格振动与导热机理的研究[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2014,05:68-72.
[22]杨欣欣.注册会计师审计中分析程序的理论与应用研究[D].山东财经大学,会计（专业学位）,2013,硕士.
[23]周世魁.山地城市快速路景观设计策略研究[D].重庆大学,城市规划与设计,2014,硕士.
[24]张晓庆.中国藏、汉人群UGT1A1多态性比较分析及汉族人群UGT1A9，1A7，1A1多态性分析[D].西北大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[25]李雪明.后金融危机时代人民币汇率制度研究[D].首都经济贸易大学,金融学,2013,硕士.
[26]邱德增.基于RFID的实物货币物流管理系统的设计与实现[D].大连理工大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[27]熊华.宽带用电信息采集系统终端现场投运经验和建议[J].电力系统自动化,2012,05:108-111.
[28]张钰.基于微波辅助技术的牡丹籽油提取工艺研究[D].中南林业科技大学,食品加工与安全,2014,硕士.
[29]咸春珍.高校思想政治教育视野下的就业教育研究[D].苏州大学,思想政治教育,2014,硕士.
[30]杨继兴.外骨骼机器人弹性驱动控制方法及实验研究[D].哈尔滨工业大学,机械工程,2014,硕士.
[31]金小青,曹杰,胡忠山,冯晓娟,韩玉琦.石墨烯/钴镍双氢氧化物复合材料的制备及其超电容特性[J].应用化学,2015,05:583-590.
[32]林博文.虚拟财产法律问题研究[D].黑龙江大学,民商法学,2013,硕士.
[33]胡书国.《俄亥俄的温斯堡》中的衔接与连贯现象分析[D].河北大学,英语语言文学,2003,硕士.
[34]肖金.网络信息平台下群体极化研究[D].黑龙江大学,情报学,2013,硕士.
[35]苗国策.等离子喷焊Ni基WC增强耐磨涂层的研究[D].哈尔滨工业大学,材料工程,2013,硕士.
[36]郭文静.冠心病患者与APN和EPCs的相关性及瑞舒伐他汀钙干预作用的研究[D].辽宁医学院,内科学,2012,硕士.
[37]章津铭.基于毒（效）组分“体外沉积、体内缓释”环节的附子—甘草配伍减毒作用机制研究[D].成都中医药大学,药剂学,2012,硕士.
[38]余菲.铁矿石定价金融化及其策略研究[D].江西财经大学,世界经济,2013,硕士.
[39]张强,刘建政,李国杰.单相光伏并网逆变器瞬时电流检测与补偿控制[J].电力系统自动化,2007,10:50-54.
[40]徐章云,李晓勤.N-90网络在武钢第二烧结厂的应用[J].冶金自动化,1992,03:24-27+59.
[41]孙志君.肖特基势垒红外焦平面阵列渐受青睐[J].世界产品与技术.2001(06)
[42]黎晓燕.人民版中历史必修Ⅱ专题五[D].内蒙古师范大学,学科教学（专业学位）,2012,硕士.
[43]肖亮.垂直搜索引擎的研究与实现[D].北京交通大学,2008.
[44]FrancisHow,NickWright,张在宁,牛宝明.ERTMS安全性研究第六篇列车装载ERTMS(ETCS&GSM-R)系统[J].铁道通信信号.2003(11)
[45]陈亮.甘肃建设国家生态屏障试验区对策研究[D].西北师范大学,公共管理,2013,硕士.
[46]邱馨仪.麻杏石甘汤抗甲Ⅰ型流感病毒FM1株的实验研究[D].广州中医药大学,中医临床基础,2013,硕士.
[47]吕佳佳.基于质点—弹簧模型的服装建模及服装多样性研究[D].西南交通大学,通信与信息系统,2014,硕士.
[48]文雅丹.大型连锁酒店绩效考评问题探究[D].江西财经大学,会计学,2013,硕士.
[49]崔满满.干燥方法对甜瓜片干燥特性及品质影响的研究[D].新疆农业大学,食品科学,2012,硕士.
[50]姜葳.地佐辛对于老年患者全麻苏醒期躁动的影响[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.