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上海交通大学

碳纳米管功能化及其聚苯并咪唑
复合材料研究

(申请工学硕士学位论文)



硕士生:邵焕真
学号:1071109024
导师:史子兴副教授
专业:材料学
院系:化学化工学院



上海交通大学化学化工学院
2010 年 1 月
Shanghai Jiao Tong University

STUDY ON THE
FUNCTIONALIZATION TS AND
ITS POLYBENZIMIDAZOLE
POSITES
A dissertation submitted for Master’s Degree

By
Huanzhen Shao
Supervised by
Associate Prof. Zixing Shi

School of Chemistry and Chemical Technology
Shanghai Jiao Tong University
January 2010
碳纳米管功能化及其聚苯并咪唑复合材料研究

摘要

出于提高碳纳米管的溶剂溶解性和利用其出色性能来制备功能纳
米材料及器件的极大需求,近年来,碳纳米管的功能化和表面修饰吸引
了人们越来越多的关注。本文提出一种新颖的合成方法,将碳纳米管的
纯化、功能化与线性及超支化聚苯并咪唑的合成相结合,制备了高性能
的纳米复合材料,此法称为一步法。
本文首先利用甲烷磺酸/五氧化二磷(10:1,质量比)为反应介质,
3,3'-氨基联苯二胺(DAB)和 4,4'-二苯甲酸醚(DCDPE)为反应单体,
在多壁碳纳米管存在的情况下,原位合成了接枝线性聚苯并咪唑的多壁
碳纳米管复合材料。与传统复杂的碳纳米管改性复合材料的合成方法相
比较,该法步骤简单,适合高性能纳米复合材料的大批量生产。通过激
光拉曼光谱、场发射扫描电镜、场发射透射电镜以及核磁等表征手段,
证实聚苯并咪唑大分子链段成功接枝到多壁碳纳米管的表面,而且由断
面扫描电镜分析得出功能化的多壁碳纳米管较好的分散于聚合物基体
中,并且与聚合物基体有良好的界面作用;同时,将化学接枝以及物理
共混两种方法制备的多壁碳纳米管增强聚苯并咪唑复合材料进行拉伸
测试分析,对比结果显示,化学接枝制备的纳米复合物具备更好的力学
I
性能,如,屈服强度、杨氏模量以及断裂强度等,此外热失重数据表明
一步法合成的多壁碳纳米管与聚苯并咪唑复合物有良好的热稳定性。
同时,我们还利用多聚磷酸为反应介质,以, 3,3’-二氨基联苯二
胺(DAB)及 1,3,5-间苯三酸(BTA)分别作为 A2 及B3 型单体,通过控
制 DAB 及 BTA 的摩尔比及加料顺序,成功地合成了端基分别为羧基及氨
基的超支化聚苯并咪唑;对于端胺基的超支化聚合物用一定量的苯甲酸
进行改性,还制备了苯甲酸部分改性的超支化聚苯并咪唑,本研究中以
30%苯甲酸改性超支化聚苯并咪唑为代表。将多壁碳纳米管用小分子间
苯三酸改性后,加入超支化聚苯并咪唑聚合体系中,成功合成了端羧基
超支化聚苯并咪唑接枝多壁碳纳米管复合物以及苯甲酸改性超支化聚
苯并咪唑接枝多壁碳纳米管复合物。
此外,30%苯甲酸改性超支化聚苯并咪唑对于单壁碳纳米管有比较
好的分散效果,通过分散对照试验以及场发射透射电镜表征证实这一
点;同时,我们还发现苯甲酸改性超支化聚苯并咪唑对于银离子的固定
和还原起着良好的作用,此外还将被超支化聚苯并咪唑物理包裹的单壁
碳纳米管表面进行银纳米粒子修饰,有望掺杂到线性聚苯并咪唑体系
中,制备成纤维制品起到杀菌消毒作用。

关键词:聚苯并咪唑,碳纳米管,接枝改性,一步合成法
II
Study on the Functionalization Ts and Its
Polybenzimidazole posites

ABSTRACT

Functionalization of carbon nanotubes (CNTs) has aroused increasing
interest due to the demand to Ts’ solubility and the fascinating
capacity to fabricate novel namomaterials and nanodevices. Here we have
proposed a novel method, which bined the purification,
func