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多壁碳纳米管接枝淀粉的合成及表征(MWCNT)
发布时间:2021-03-18     作者:zl   分享到:

多壁碳纳米管接枝淀粉的合成及表征(MWCNT)

  水溶性碳纳米管由于在生物及环境友好碳纳米管基复合材料方面有着广阔的潜在应用而受到关注。碳纳米管的水溶性也逐渐成为其大规模商业应用的一个决定性因素。科学家们已提出多种制备水溶性碳纳米管的方法,其中最常用的一个方法就是通过氧化作用对碳纳米管进行化学改性,再采用亲水性物质对其进行有机改性。但是在这种强烈的作用下,碳纳米管的特异性能受到了极大的损伤,并且造成文献中很少提及的大量的碳纳米管浪费。因此,如何获得高水溶性的碳纳米管而又不破坏其完美的结构和特异的性能仍然是一个很大的挑战。

  淀粉是一种来源广泛,价格低廉、可资源再生的天然高分子原料,具有良好的生物相容性、亲水性和良好的成膜性、吸附性、透气性和渗透性,在食品包装膜、多孔材料等领域有广泛的应用。淀粉分子链中含有大量的羟基,因此其化学性能很活泼,可以进行酰化、醚化、烷基化、酯化等多种化学反应。引入功能性基团可以增加其功能性,拓宽其应用范围。

实验部分

多壁碳纳米管接枝淀粉的制备

1MWCNT的初步纯化

2MWCNT的酸化

3MWCNT的酰氯化

4MWCNT接枝淀粉的合成

红外光谱分析(FT-IR)

  分别取经充分干燥后的酸化碳纳米管、淀粉接枝碳纳米管、可溶性淀粉的少量粉末样品与溴化钾(KBr)充分混合、研磨后压片,使用傅立叶变换红外扫描分析仪进行检测,扫描范围4000~400cm-1。观察各吸收谱带的波长范围,由特征基团频率指出分子中官能团的存在,以确定样品中的物质。

反应机理

  碳纳米管羧酸化的方法很多,最常用的方法就是混酸氧化(HNO3:H2SO4=1: 3)和硝酸氧化产生羧基,然而混酸氧化性很强,过于严重的破坏多壁碳纳米管的结构,碳纳米管被切断的现象非常明显,破坏了碳纳米管长径比大的特征,并且混酸处理4h后,碳纳米管的损失已非常严重,收率只有20%左右。由于较大的长径比是碳管具有各种突出性能的基础,切断碳管虽然有利于提高所制备可溶性碳管的溶解度,但是同时也会使碳管失去较大长径比这样一个标志性的特征。浓硝酸120℃处理14h得到的碳纳米管既能保持一定的长径比,又具有较好的纯度和溶解性,并且产率能保持在80%左右,所以选用浓硝酸处理多壁碳纳米管是一个较为合适的氧化方法。

  作为一种天然高分子,淀粉具有复杂的双螺旋结构。这种双螺旋结构有利于淀粉包裹缠绕在碳纳米管的表面。碳纳米管与淀粉一旦形成包覆状态.就很难再分离,这主要是由于两者之间形成共价键,与离子键或氢键不同,通过共价接枝法制备的复合材科,在不破坏碳纳米管的本身的结构基础上,使复合材料的结合力更加牢固,稳定性更好。而通过静电吸附结合非共价复合材料的淀粉与碳纳米管之间只能靠阴阳离子之间的离子键或氢键连接,其结合力很弱,常常产生两者之间的分离,在实际应用中操作不便。

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1碳纳米管与可溶性淀粉反应过程

  如图1所示,多壁碳纳米管经过硝酸纯化处理后,会在多壁碳纳米管端部及表面的缺陷部分形成亲水基团羧基(-COOH),但由于碳纳米管上的羧基反应活性不高.不能与含有羟基的化合物直接反应。为了进一步增加羧基的反应活性,用氯化亚矾处理,得到酰氯化的多壁碳纳米管。酰氯化的多壁碳纳米管在无水存在的条件下,可与淀粉上的羟基反应生成酯,这是共价修饰碳纳米管的一种重要方法。由于淀粉链上带有大量的羟基,与酰氯化的多壁碳纳米管易于反应。酰氯化的多壁碳纳米管在有水的环境下会失活,因此反应在无水的有机溶剂下进行。本实验采用无水的DMF作为溶剂,主要是因为DMF 为一种强极性溶剂,可以使酰氯化的多壁碳纳米管良好的分散于其中,并在反应前超声-定时间,可以有效地防止碳纳米管的团聚,尽量使每根碳纳米管的表面上的酰氯基团都可以与淀粉反应。最后用DMAC/LiCl 溶液超声洗涤接枝产物,排除了淀粉以非共价键与碳纳米管结合的可能性。

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