咪唑类离子液体的负载对聚合物碳纳米管复合材料性能的影响
咪唑类离子液体(IL)是一种具有特殊结构和性质的低温熔融盐，将其负载到其它基质材料后其特殊的性质也被赋予了基质材料，构成了负载型IL，二者的协同效也能够取长补短。同时IL结构的可设计性也使负载型IL的一些性质具有可调控的空间。研究表明IL可以通过π-π吸附和碳材料发生作用，将IL负载在碳纳米管(CNTs)上可以制备IL-CNTs杂化材料，其在多项领域具有充足的发展潜力。更重要的是这种方式不会对CNTs的表面结构产生破坏，极大地保留了其本征性能，对于CNTs的修饰改性具有重要的意义。本文基于二者之间的非共价作用构建了三种聚合物碳纳米管复合体系，分别考察了IL的引入对不同体系性能的影响规律。主要研究内容和成果如下: 1、将IL负载到CNTs的管壁上，通过原位共聚交联的方法构建了IL-CNTs纳米杂化材料。利用咪唑类IL和CNTs表面的π-π吸附作用，将可聚合的IL单体溴化1-乙烯基，3-乙基咪唑吸附在CNTs表面，通过热引发的自由基连锁聚合使其和双官能度的DVB分子共聚并包覆在CNTs的表面。得到的材料是以CNTs为核，以交联的IL为壳层的结构稳定的纳米杂化材料。通过改变所用的聚合单体、溶剂种类、单体浓度等条件可以控制杂化材料外部壳层的厚度，最大可以达到50nm。对杂化材料的表征证明其电导率在12.98S·cm-1到2.45×10-7S·cm-1之间，随着壳层的厚度增加而呈现非线性的下降。 2、将IL负载到聚合物分子链中，制备了主链中含有咪唑离子结构的聚己内酯大分子。首先合成了端基为羟基的咪唑IL，并引发己内酯开环聚合制备了主链结构中含有咪唑离子结构的聚合物二元醇，再反应扩链后得到了PCL大分子。这种新型PCL材料可以直接用以分散碳基纳米填料并制备复合材料。由于咪唑离子结构单元的引入提高了纳米粒子在基体中的分散性，复合材料的电导率相比于对比样品提高了两个数量级。咪唑离子结构单元的引入使得PCL材料的热分解温度明显提升、降解速率显著加快。 3、研究了IL在界面处的负载对相应的聚合物复合材料性能的影响。将之前所制备的IL-CNTs杂化材料与聚合物复合制成复合材料，由于壳层直接参与形成了复合材料的界面结构，故其能显著改变材料的电性能，具体考察了电导率、介电常数、介电损耗等参数对于含IL界面层的界面数量、紧密程度、阴离子种类以及包覆层厚度的依赖关系;将合成的含咪唑结构片段的PCL引入到了CNTs/聚合物复合材料当中，其作为界面相容剂很好的起到了提高CNTs分散性的作用，材料的导电、介电数据都有显著的提升，力学性能也有提高。 4、将IL作为“桥梁”把CNTs和蒙脱土(MMT)两种纳米粒子结合起来，制成杂化纳米增强相并加入聚合物中。无机MMT在质子溶剂中可以被剥离成为表面携有负电荷的纳米片层，而IL能够使CNTs表面携有正电荷，利用正负电荷的静电组装作用我们成功的将CNTs封装在了MMT的片层中，得到了具有夹层结构的杂化材料。这种杂化材料很有效的发挥了二者的协同效应，特殊的夹层状结构使得CNTs在发挥其导电纳米粒子提高材料介电常数作用的同时避免了因相互搭接而产生的过大的电导损耗，最终得到的复合材料具有高介电常数和低介电损耗。
复合材料;碳纳米管;聚合物;制备工艺;咪唑类离子液体
北京化工大学
博士
材料科学与工程
陈广新
2016
中文
TB332
169
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）