碳纳米管和硒化镉量子点的表面官能化及其在复合材料中的应用
本论文主要研究了碳纳米管和硒化镉量子点两类纳米材料的表面官能化修饰方法,及其环氧树脂基复合材料制备,考察了纳米材料表面官能化修饰对其分散性和界面的影响规律,深入探讨了环氧树脂基纳米复合材料结构与性能关系,同时提出了提高复合材料性能表现的有效措施。
在论文的第一部分中,设计研究了碳纳米管表面环氧基团官能化修饰的方法以及对环氧树脂基纳米复合材料性能的影响规律。首先使用浓硫酸／浓硝酸氧化处理碳纳米管,通过对氧化时间的优化和控制,得到结构相对完整、含有较少羟基官能团的碳纳米管；其次在此基础上,通过管壁表面羟基和酰氯基团的反应,接枝高反应活性聚丙烯酰氯,实现官能团数量的放大；之后通过剩余酰氯基团同环氧树脂中羟基的反应,实现碳纳米管表面的环氧基团官能化修饰；最后进一步研究了表面官能化修饰对碳纳米管在环氧树脂基体中分散能力以及两种材料间界面作用的影响规律,并考察了表面官能化修饰对纳米复合材料的机械性能(拉伸性能)和热稳定性能(热稳定性和玻璃化转变温度)的影响规律。
在论文的第二部分中,设计研究了油酸配体自组装,迅捷、有效实现量子点表面羧基基团官能化修饰的方法,以及表面修饰对环氧树脂基纳米复合材料性能影响规律。首先基于Lisensky发表的油相合成技术,通过对晶体生长时间的控制,分别合成并提纯出不同大小的以油酸为配体的硒化镉量子点；其次在量子点的极性溶液中加入过量油酸,使用超声波进行分散,在量子点表面自组装上第二层羧基朝外的油酸,实现量子点的羧基官能化修饰；最后经预固化及中温固化体系固化,研究表面羧基基团官能化修饰前、后量子点在环氧树脂中分散能力,以及对纳米复合材料荧光强度、机械性能和热性能的影响规律。
在论文的第三部分中,设计研究了伯氨氨基基团官能化修饰量子点表面的方法,及其对改善量子点在环氧树脂基体中分散和纳米复合材料光学性能的作用。首先通过配体交换技术,将油酸配体置换为巯基乙酸,实现原先碳链包覆的量子点表层结构向羧基基团修饰的转变；其次通过羧基同仲氨的反应,将保护了伯氨的二乙烯三胺接枝到量子点表面,并经解保护反应后,实现量子点的伯氨氨基官能化；之后将其添加到室温固化的环氧树脂体系,研究了表面氨基基团官能化修饰对量子点分散行为的影响,以及对纳米复合材料透明性、荧光强度的影响规律。
在论文的第四部分中,设计研究了一种有别于传统单一目的量子点表面修饰的方法,该方法使用梳型聚合物模板对量子点表面进行自组装包覆,并通过对模板中高反应活性酰氯基团的化学修饰,分别派生出水溶性、油溶性和生物小分子官能化的量子点。首先通过丙烯酰氯单体的自由基聚合反应,制备模板材料的主链结构聚丙烯酰氯；其次通过酰氯基团同羟基的反应,在聚丙烯酰氯主链上定量接枝十八醇长碳链结构,得到梳型聚合物模板,并利用其接枝侧链和量子点表面相似的化学结构,以物理缠结的形式对量子点进行自组装包覆；之后分别将模板材料中余下的高反应活性酰氯基团以水解、酯化以及接枝聚乙二醇或谷氨酸为例,得到水溶性、油溶性和生物小分子修饰的量子点,展示了该梳型聚合物模板对量子点修饰的多功能性和易操作性,具有针对不同体系改性的潜在应用价值。
在论文的第五部分中,设计研究了一种通过碳纳米管表面羧基化修饰和量子点表面氨基化修饰,进而迅捷、有效的实现量子点／碳纳米管杂化材料自组装合成的方法。首先经混酸氧化处理,在碳纳米管表面引入少量羟基,并以此为反应起点,通过酯化接枝聚丙烯酸,实现碳纳米管的羧基化修饰；其次以巯基乙酸置换量子点表面油酸配体为起点,在其表面引入羧基基团,再通过酰胺化反应,接枝乙二胺,实现量子点的氨基化修饰；最后表面羧基化的碳纳米管和表面氨基化的量子点通过酰胺化反应,以化学键连接的形式,实现量子点在碳纳米管上的铆钉,制备得到了在太阳能电池领域具有潜在应用价值的量子点／碳纳米管纳米杂化材料。
碳纳米管;硒化镉量子点;环氧树脂;纳米复合材料;机械性能;光学性能
北京化工大学
博士
材料科学与工程
励杭泉
2011
中文
TB332;TQ323.5
166
2011-08-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）