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碳纳米管(P-MWCNTs)的等离子体表面处理工艺

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2022-10-19
碳纳米管(P-MWCNTs)是一种新型的纳米级的材料,它径向的尺寸是纳米级别的,长度也是微米级别的,成管状,所以它具有质量轻的优点。更重要的是它具有六边形的结构,这种独特的结构可以延伸出许多其他优异的电学、力学与化学性能。碳纳米管的管状结构可以是单层,也可以是多层的。可以按照层数分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。由于这些独有的优良性能,碳纳米管的研究与应用也越来越成为材料学科的趋势,世界各地的学者们和厂商也都纷纷对其研究和应用进行深入的探讨,它的应用具有非常广阔和光明的前景。
等离子体表面处理碳纳米管
目前,碳纳米管功能化处理常见的方法有混酸处理、微波法和等离子体刻蚀。通过改性,不仅可以提高碳纳米管在有机溶液中的分散性能,而且可以提高碳纳米管表面活性,促进其与其他复合物发生反应。常见的混酸处理方法采用具有强氧化性的酸,比如HNO3、H2SO4,通过在碳纳米管表面添加羟基、羧基等含氧官能团来达到改性的目的。但是这种方法产生的废液会对环境造成污染,用时较长,并且会对碳纳米管本身结构造成损伤。相对于传统的混酸处理方法,等离子处理技术不仅具有环保,节能和节约时间等优点,而且还可以选择不同的气氛,在碳纳米管表面添加不同种类的官能团,以达到改善性能的目的。

等离子体表面处理工艺简介


等离子体表面处理是利用低压气体辉光放电的干式处理新技术。能够改变表面结构,控制界面物性。等离子体表面处理与放射线处理、电子束处理、电晕处理等其他工艺相比,其独特之处在于等离子体表面处理的作用深度仅涉及表面极薄一层。因此能使界面物性显著改善而材料体相却不受影响。

碳纳米管的等离子体处理工艺


碳纳米管透射电镜分析
图1给出了原始碳纳米管及等离子体处理碳纳米管的透射电镜照片,图1A为原始MWCNTs的电镜照片,图1B为处理后的MWCNTs的透射电镜照片,由图可见,处理后的MWCNTs缠绕度降低,MWCNTs的分散型明显提高,能够看到单根的MWCNTs的存在,黑点减少,说明MWCNTs中的杂质也基本除去了。
碳纳米管 TEM 图像( A )原始 MWCNT ;( B )等离子体处理 MWCNTs
图一 碳纳米管TEM 图像( A )原始 MWCNT ;( B )等离子体处理 MWCNTs
在等离子体处理过程中,由于非晶碳具有不稳定结构,其反应活性高于具有石墨层片管壁结构的反应活性,非晶碳会以更快的速率被侵蚀,导致其从MWCNTs管束中剥离。夹杂在管束中的非晶碳被剥离以及弯曲的管被打断,使得由MWCNTs缠绕而成的管团的内部结合力削弱,管团解体、分散。且由于在处理过程中在碳管表面上接上了羰基、胺基等活性基团,这也使得碳管的分散性变好。

碳纳米管红外光谱分析
图2为原始及等离子体处理碳纳米管(P-MWCNTs)的红外光谱图。与原始碳纳米管红外光谱相比,从等离子处理碳纳米管的红外光谱中可以看出,在1118cm-1处出现的吸收峰应该为C-N键的伸缩振动引起,在1581cm-1处出现了酰胺的特征吸收带,在1640cm-1处出现的吸收峰,分析认为是由羰基的吸收振动引起的,在3417cm-1出现了N-H的伸缩振动吸收峰,这些均证实经过等离子体处理后,在碳纳米管表面引入了羰基,胺基等活性基团。
等离子体处理碳纳米管红外光谱图
图二 等离子体处理碳纳米管红外光谱图
经过等离子体处理后,碳纳米管(MWCNTs)表面的一些无定形碳颗粒及催化剂颗粒被刻蚀掉,起到了一定的清洁碳纳米管表面的目的。并且在MWCNTs表面上接上了羰基、胺基等不同的活性基团,提高了MWCNTs的分散性以及碳纳米管与环氧树脂基体之间的界面结合力。与酸化、胺化等表面化学改性处理方式相比,等离子体处理具有处理时间短,无污染,处理效果好等优点。
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