下载文档原格式
多壁碳纳米管在红外波段的散射特性研究多壁碳纳米管（以下简称MWNTs）已成功应用于微纳电子、光电子等领域中，是一种具有独特结构和机械性能的尺寸、形状等异质纳米材料。
近年来，由于它在红外波段的特殊性能，MWNTs常被用于太阳能电池、波导器件的宽频带增强性和Humidity Sensor的结构改进。
因此，研究MWNTs红外波段的散射特性对于太阳能电池、波导器件和Humidity Sensor等技术的发展具有重要意义。
一、MWNTs的材料性能1、结构: MWNTs的结构是由重叠的多层碳环层组成，有单壁、多壁和多种结构形式。
2、化学性能: MWNTs表面可以被经典醚化反应，并能与其他小分子物质和多羟基官能团形成强相互作用，从而调节材料的物理性能。
3、热敏性:MWNTs有一定的热显性。
当热源进入MWNTs的环境，发生的吸热原理可能会把MWNTs的结构发生变化。
二、MWNTs在红外波段的散射特性1、吸收: MWNTs中的纳米颗粒会被波长在1000-1000 nm范围内的红外线吸收，并损失其能量。
这有助于减少非常短波长范围内MWNTs的反射。
2、增强: MWNTs在红外波段可对周围环境中存在的微小扰动产生增强效应，这将增大功率传输量。
如果采用多壁MWNTs作为结构材料，将可以显著提高其频率增益。
3、屏蔽效应: MWNTs的多种内部结构特性可以起到屏蔽作用，实现对红外线的吸收效果。
4、衍射: MWNTs结构复杂，使得它能以衍射把射入其中的红外线分散向多个方向，从而改变其路径。
三、MWNTs红外波段的散射性能优化研究1、结构改进: 增加MWNTs的结构复杂度，可以改变其衍射特性，并抑制其反射率。
2、表面处理: 通过化学气相沉积等方法，可以向MWNTs表面添加纳米金属粒子或分子。
这拥有改善红外散射性能的可能性。
3、应力调节: 向MWNTs表面施加外力，如应力、磁场、电场，可以调节MWNTs 的结构及其物理性能，从而调节其红外散射性能。
多壁碳纳米管浆料是一种由多壁碳纳米管分散在溶剂中形成的悬浮液，也称为多壁碳纳米管水性浆料或多壁碳纳米管分散液。
它具有优异的物理和化学性能，如高导电性、高稳定性、高耐腐蚀性和高耐磨性等，因此在许多领域都有广泛的应用前景。
多壁碳纳米管浆料的主要成分包括多壁碳纳米管、溶剂和分散剂。
其中，多壁碳纳米管是主体，起到主要的导电作用；溶剂是分散介质，起到使碳纳米管分散的作用；分散剂则是用来防止碳纳米管在溶剂中发生聚沉，使碳纳米管能够稳定地悬浮在溶剂中。
制备多壁碳纳米管浆料的方法主要有物理分散法和化学分散法两种。
物理分散法是通过机械搅拌、超声波振荡等方式将碳纳米管分散在溶剂中，该方法简单易行，但制备的浆料质量较低。
化学分散法则是在碳纳米管表面引入一些活性基团，使其与溶剂分子之间产生相互作用，从而更容易在溶剂中分散。
多壁碳纳米管浆料的应用非常广泛。
在电子领域，可用于制造柔性电极材料、电子器件等；在新能源领域，可作为导电添加剂用于提高电极材料的导电性能；在复合材料领域，可与其它材料复合制备高性能复合材料；在生物医学领域，可用于药物传输、生物成像和肿瘤治疗等。
总之，多壁碳纳米管浆料是一种具有优异性能的新型材料，其制备和应用研究已成为当前材料科学研究的热点之一。
随着研究的深入，多壁碳纳米管浆料将在更多领域得到应用，为人类的生活和经济发展带来更多的益处。
多壁碳纳米管增强复合材料研究多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes）是一种由许多同心壁构成的管状材料。
由于其卓越的力学性能和导电性能，多壁碳纳米管被广泛应用于增强复合材料中。
在过去的几十年里，人们对于多壁碳纳米管增强复合材料的研究进展迅速，在航空航天、汽车、医疗等领域都有着重要的应用。
首先，多壁碳纳米管增强复合材料具有极高的强度和刚度。
由于多壁碳纳米管独特的结构，其纳米尺度的直径和几微米的长度使其在弯曲和拉伸时表现出非常高的强度。
同时，多壁碳纳米管的刚度也非常高，能够有效地增加复合材料的刚度和稳定性。
这使得多壁碳纳米管增强复合材料在航空航天领域中得到了广泛应用，例如制造飞机和航天器结构件，能够增加它们的强度和耐久性。
其次，多壁碳纳米管增强复合材料还具有优异的导电性能。
由于多壁碳纳米管是一种碳基材料，具有良好的导电性，能够有效地改善复合材料的电导率。
这使得多壁碳纳米管增强复合材料在电子器件和传感器领域中具有广泛的应用前景。
例如，利用多壁碳纳米管增强复合材料制造的传感器可以实现高灵敏度和高响应速度，能够被广泛应用于环境监测、生物传感等领域。
此外，多壁碳纳米管增强复合材料还具有优异的热导性能。
由于多壁碳纳米管具有非常小的直径和较高的导热性，它们能够有效地将热量从一个地方传导到另一个地方，从而改善复合材料的热导率。
这使得多壁碳纳米管增强复合材料在热管理领域中有着广泛的应用。
例如，利用多壁碳纳米管增强复合材料制造的散热片可以增加散热效果，提高电子设备的工作效率和寿命。
然而，多壁碳纳米管增强复合材料的制备和性能调控仍面临一些挑战。
首先，多壁碳纳米管的高成本限制了其大规模应用。
目前，多壁碳纳米管的合成方法较为复杂，并且制备过程中会产生大量的有机溶剂和废弃物，对环境造成了一定的压力。
因此，降低多壁碳纳米管的成本，开发环境友好的制备方法是当前研究的重点之一。
另外，多壁碳纳米管增强复合材料的界面相互作用和分散性也是研究的难点。
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。
多壁碳纳米管在水溶液中的分散性研究作者：张宝明来源：《科技视界》 2014年第36期张宝明（盐城工业职业技术学院，江苏盐城 224005）【摘要】碳纳米管以其卓越的性能及其光明的应用前景而受到科学界的广泛关注。
然而，碳纳米管在水溶液及有机溶剂中的团聚问题限制了碳管的大规模应用。
笔者选用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十二烷基磺酸钠（SBS）三种常用表面活性剂来提高多壁碳纳米管(MWNT)在水溶液中的分散性，并通过离心沉降、紫外光谱、粒径分析等方法对分散效果进行测量与分析，找出最佳的表面活性剂及其最合理用量。
【关键词】多壁碳纳米管；水溶液；分散；表面活性剂0 引言碳纳米管（CNT）具有很多优异的性能，如物理性能、热力学性能、光学性能、电学性能等[1-3]，碳纳米管复合材料的研究也成为近年来的热点。
然而，碳纳米管有极大的比表面积和很高的表面能，在水溶液和有机溶剂中的分散性很差，在加工过程中极易发生团聚，极大的限制了碳纳米管的大规模应用。
目前，增强碳纳米管分散性的方法主要有化学改性与物理改性两种。
化学改性法主要用混酸将羧基、羟基等官能团连到碳管表面，利用这些活性基团来提高碳管的亲水性和亲油性。
物理改性法主要用表面活性剂例如配合物或嵌段共聚物[4-5]对碳管进行改性，让表面活性剂分子包裹住碳管，从而提高碳管在溶液中的溶解性。
与化学改性相比，物理改性不会破坏碳管结构与性能，也更加简便易行。
1 实验１．１材料多壁碳纳米管（MWNT），纯度>95%，碳管长度10-20 nm，深圳纳米港；浓硫酸（H2SO4），分析纯，上海试剂四厂；浓硝酸（HNO3），分析纯，上海试剂四厂；聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，K30，固性物含量>95%，国药集团；十二烷基苯磺酸钠（SDBS)，含量>90%，国药集团；十二烷基硫酸钠（SDS)，活性物>86%，国药集团。
1.2 碳纳米管/表面活性剂溶液的制备配置0.1wt%浓度的MWNT水溶液，分别加入与MWNT相同质量的表面活性剂PVP（K30）、SDBS、SDS。
多壁碳纳米管的分散性研究张晗【摘要】为提高多壁碳纳米管在水中的分散性,采用混酸超声法对其进行处理.通过傅里叶变换红外光谱仪、X-射线衍射仪等对处理前后碳纳米管的结构和分散性进行了研究.结果表明,经混酸超声处理,多壁碳纳米管表面被接枝上羟基和羧基官能团且其石墨结构保留完好;多壁碳纳米管在水中的分散性能得到提高,经100h静置,碳纳米管的浓度仅降低9.2％.【期刊名称】《化工设计通讯》【年(卷),期】2017(043)009【总页数】2页(P54-55)【关键词】碳纳米管;混酸;超声波;分散性【作者】张晗【作者单位】四川大学化学工程学院,四川成都 610065;四川化工职业技术学院,四川泸州 646005【正文语种】中文【中图分类】TM242Abstract：Treatment of mixed acids and ultrasonic was used to improve dispersion of multi-wall carbon nanotubes（MWCNTs）inwater.Researches on structure and dispersion of treated and untreated MWCNTs were carefully investigated by Fourier transform infraredspectroscopy and X-ray diffraction.As a result，MWCNTs treated with mixed acids and ultrasonic obtain hydroxyl and carboxyl functional groups.In addition，graphite structure of MWCNTs keeps intact.Dispersion of treated MWCNTs is improved dramatically with only 9.2% concentration reduction after 100 hours.Key words：carbon nanotubes；mixed acid；ultrasonic；dispersion碳纳米管是由碳原子构成的石墨烯片层卷曲而成的管体，其具有弹性模量高、比表面大、高温稳定性好和导热导电性良好[1]等优点。
自1991年被Iijima发现以来，它就引起众多科学工作者的兴趣。
目前，碳纳米管广泛应用在微型电器元件[2-4]、聚合物共混物[5–6]等多个领域。
碳纳米管的很多应用要求其具有水分散性，然而由于碳纳米管具有很高的表面自由能和比表面积，它很容易团聚且在大多数溶剂中不易分散。
为解决碳纳米管分散难的问题，人们对碳纳米管的表面改性展开了广泛研究。
目前，碳纳米管表面改性的化学方法主要有非共价和共价修饰。
非共价修饰是利用表面活性剂或亲水性大分子化合物包裹在碳纳米管外壁以增加其溶解性的方法。
此种方法需要添加表面活性剂或亲水性分子，这样会引入大分子物质影响碳纳米管的一些应用。
共价修饰是通过共价键相互作用在碳纳米管的侧壁和/或顶端进行化学修饰的方法，可以通过自由基加成或聚合物接枝反应等实现，这是目前比较常用的方法。
为改善碳纳米管在水中的分散性，文中使用混酸（V浓硫酸∶V浓硝酸=3∶1）超声法处理碳纳米管，并通过傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和X-射线衍射仪（XRD）等仪器对样品进行了表征。
（1）实验材料：碳纳米管（MWCNTs），直径范围为10-30nm，长度为5～15µm，纯度大于95%；浓硫酸，质量分数为98%；浓硝酸，质量分数为65%；去离子水。
（2）实验仪器：KQ-50-B型超声仪；SHZ-D（Ⅲ）型循环水式多用真空泵；ZK-30型电热真空干燥箱；DJ-V型电子分析天平；Nicolet5700傅里叶变换红外光谱仪；D8 Advance多晶X-射线衍射仪；755PC紫外分光光度计。
（1）MWCNTs的混酸超声处理称量0.3g MWCNTs加入100mL混酸（V浓硫酸∶V浓硝酸=3∶1）中，在水温60℃下对其进行超声处理4h。
处理后的碳纳米管用去离子水进行清洗，直到液体的pH值呈中性，然后使用0.2μm的滤膜进行过滤，最后将得到的产物在真空干燥箱中干燥待用。
（2）样品的表征a）结构表征采用傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）对混酸超声处理前后MWCNTs的表面官能团进行测定，以确定混酸超声处理对MWCNTs的功能化效果。
采用D8 Advance多晶X-射线衍射仪对处理后的MWCNTs进行测试，以确定处理后的 MWCNTs的石墨结构是否还存在。
b）分散性能表征碳纳米管悬浮液分散性可采用紫外分光光度计法进行定量分析[7-9]。
首先确定酸化超声处理后MWCNTs悬浮液的标准工作曲线，进而由标准曲线中吸光度所对应的浓度值，计算出碳纳米管上层悬浮液随时间变化的曲线。
酸化MWCNTs浓度-吸光度标准工作曲线实验如下：制备5phr质量分数分别为0.001%、0.002%、0.003%、0.004%和0.005%的酸化MWCNTs悬浮液，超声处理40min，然后使用紫外分光光度计进行扫描，确定在波长350nm处的吸光度，扫描过程中以相同量的去离子水作为参比液，最后得到酸化MWCNTs悬浮液的标准工作曲线。
酸化MWCNTs的分散性实验：首先将浓度为0.05g/L的酸化MWCNTs悬浮液超声分散，然后在不同时间吸取上层悬浮液测定其在350nm处的吸光度数值，测试过程中以相同量去离子水作为参比液，根据浓度–吸光度工作曲线定量计算出悬浮MWCNTs的浓度，最后通过MWCNTs浓度随时间变化的情况来表征分散体系的分散效果。
图1是酸化超声处理MWCNTs的XRD谱图。
XRD测试结果出现了一个最强峰（25.7°）和两个弱峰（42.4°，53.6°），这与石墨的特征峰相吻合。
此外，过渡金属的最强特征峰（44.6°）非常弱。
由以上结果可以表明，处理后MWCNTs的石墨结构没有遭到破坏，而且大部分的金属催化颗粒已经被除去。
图2是MWCNTs处理前后的FTIR谱图。
图2.a 表示未处理MWCNTs红外谱图，图2.b 表示处理后MWCNTs红外谱图。
从图2.a可以看出，原样品MWCNTs在1 000～4 000 cm-1波长内没有明显的吸收峰。
经处理后，在3 450～3 200 cm-1区域产生了一个宽吸收带，这是羟基—OH中O—H伸缩振动的特征吸收峰。
这说明经混酸超声处理后，MWCNTs管壁上被接枝上羟基基团。
此外，在3 000～2 500cm-1区域也出现吸收带，这是羧基中O—H伸缩振动产生的特征峰；1725-1 700cm-1也出现吸收峰，这是羧基中C==O伸缩振动产生的特征峰，这表明处理后的碳纳米管上拥有羧基基团。
MWCNTs功能化过程：在混酸超声处理过程中，混酸会分解产生自由氧，自由氧与MWCNTs上的碳原子结合，可形成CO2使MWCNTs管壁上产生坏点缺陷或断裂。
这些坏点处和断裂处的碳原子就变成不饱和碳，这些碳原子由于不饱和而活性提高。
如果一个氧原子与一个碳原子结合就在MWCNTs上形成一个—C==O并进而与水中的H+、OH-以及自由氧等结合形成—COOH得到羧基，也可形成一个—C—OH，从而得到羟基。
为定量分析处理后MWCNTs的分散性能，采用紫外分光光度计吸收光谱法。
首先根据朗白-比耳定律[10]：A=abc（其中A表示溶液的吸光度，a表示吸收系数，b表示吸收层厚度，c表示被测物质质量分数）确定出标准工作曲线（如图3所示），然后根据标准工作曲线吸光度所对应的值来确定MWCNTs悬浮液溶液浓度随时间的变化曲线。
图4是MWCNTs（初始浓度为50mg.L-1）分散体系随时间的变化关系。
由图可知，静置50h后，处理过的MWCNTs的分散体系趋于稳定且MWCNTs的浓度为初始浓度的90.8%，仅下降9.2%。
这一实验结果说明，经过混酸超声处理，MWCNTs可以避免在水中发生团聚，分散性得到大大提高，原因是处理后的碳纳米管表面带上了极性基团羧基和羟基，基团之间具有相互排斥的作用使碳纳米管之间不易团聚。
混酸超声处理碳纳米管使其表面接枝上极性官能团羟基和羧基。
除此之外，碳纳米管的分散性得到大大提高，静置100h，MWCNTs的浓度仅降低9.2%。
这种方法简便易行，是有效的纯化功能化方法。
【相关文献】[1] 赵弘韬，张丽芳，张玉宝.碳纳米管纯化工艺的研究[J].科技创新导报，2008，（26）：16.[2] 徐二阳，韦进全，王昆林，等.碳纳米管在太阳能电池中的应用研究进展[J].材料导报，2009，23（11）：6-10.[3] 王钰，刘云圻，木尾浦尚志，等.高电导透明碳纳米管薄膜的制备及其在有机发光二极管中的应用[J].科学通报，2008，53（21）：2586.[4] 官众.碳纳米管在有机太阳能电池中的应用[J].湖南师范大学自然科学学报，2009，32（1）：63-66.[5] Yu Junrong，Grossiord Nadia，Koning Cor E，et,al.Controlling the dispersion of multi-wall carbon nanotubes in aqueous surfactant solution[J].Carbon，2007，45：618-623. [6] Ham Hyeong Taek，Choi eong Suk，Chee Mu Guen，et,al.PEDOTPSS/single wall carbon nanotubes composites[J].Polymer Engineering and Science，2008，1-10.[7] 肖奇，王平华，纪伶伶，等.分散剂CTAB对碳纳米管悬浮液分散性能的影响[J].无机材料学报，2007，22（6）：1122-1126.[8] 单燕君，张顺花.碳纳米管的化学功能化改性及分散性研究[J].浙江理工大学学报，2010，27（5）：725-728.[9] 卢志华，孙康宁，任帅，等.碳纳米管的表面修饰及分散性研究[J].稀有金属材料与工程，2007，36（3）：100-103.[10] 左演声，陈文哲，梁伟.材料现代分析方法[M].北京：北京工业大学出版社，2009.。
