1.4 碳纳米管的应用

任何有价值的物质都有着各种各样的应用功效，碳纳米管也不例外，因其特殊、优良的性能，目前以及潜在的应用的领域如表1-1所示。

表1-1 碳纳米管可能的应用领域[11]

尺度范围 领域 应用

纳米技术

宏观材料 纳米制造技术

电子材料和器件

生物医药技术

化学

物理

复合材料

储能材料

电子源

化学 扫描探针，纳米泵，纳米管道，纳米钳，纳米齿轮，纳米机械元件，纳米传送机等

纳米晶体管，纳米导线，分子开关，存储器等

注射器，生物传感器，胶囊等

纳米化学，纳米反应器，化学传感器等

质量运输，高压胶体等

树脂，金属，陶瓷增强，导电复合材料，吸波材料，电磁屏蔽材料等

储氢，双电层电容器，锂离子电池等

场发射电子源，平板显示器，高压荧光灯等

催化剂及载体，有机化学原料等

1.5 碳纳米管的表面改性

碳纳米管因为其独特的一维结构，在力学、电学以及热力学等方面都具有优异的性能，因此在在纳米复合材料、生物医药与纳米器件等领域都极具发展前景。但是由于碳纳米管的长径比和比表面积极大，单壁碳纳米管多数是以聚集成束状的形式存在，而多壁碳纳米管更多的则是缠结团聚在一起。另外，由于本身的双疏性，造成了碳纳米管很难分散，进而使得众多优异的特性无法得到体现，大大限制了碳纳米管在很多方面的研究与应用，尤其是体现在碳纳米管作为增强项改性聚合物材料方面，改性后的复合材料的性能在很大程度上取决于碳纳米管在基体中的分散程度以及与基体之间的相容性。因此，要制备出高性能的碳纳米管/聚合物复合材料，首先就要对碳纳米管进行处理，目前主要的手段是对碳纳米管进行功能化。一方面，对碳纳米管进行功能化处理可以改进其表面性质，提高其与溶剂或其他化合物之间的相容性，得到在溶剂中分散性良好的碳纳米管;另一方面，利用功能性基团修饰碳纳米管，可赋予碳纳米管新的功能，进一步拓展其应用;再者，功能化处理有利于提高碳纳米管与基体的相容性，从而使碳纳米管的优异特性在复合材料中得以体现，制备出高性能的纳米复合材料。

根据碳纳米管与功能化基团之间成键方式的不同，碳纳米管的表面功能化方法主要分为两大类[12]：非共价功能化和共价功能化。非共价功能化主要是指对碳纳米管表面进行物理处理，而碳纳米管的sp2杂化状态几乎不发生变化，因此，这种结合力主要依靠分子之间的范德华力、π-π共轭和静电吸引等弱相互作用将一些功能性基团修饰到碳纳米管的表面。这种修饰方法的优点是由于没有形成共价键，因此不会对碳纳米管本身的结构造成破坏，从而可以得到结构完善的功能性碳纳米管;但与此同时，这种方法的缺点也十分明显，由于碳纳米管与修饰基团之间的非共价作用是一种弱相互作用，因此碳纳米管容易与改性分子发生脱离，从而严重影响非共价功能化的效果。相比之下，共价功能化的应用更加广泛一些。共价功能化是指碳纳米管通过共价键与聚合物等修饰基团相连接，在碳纳米管外形成一个两亲或亲水表面。这种功能化方法会使处于修饰位点的碳原子会由sp2杂化向sp3杂化转变，对碳纳米管的结构造成一定的破坏，但是由于所得到的功能化碳纳米管性质稳定，并且在有机溶剂与水溶液中的溶解度大大提高，所以这种方法是目前研究最多的功能化方法。这两种功能化方法在特定的领域均具有一定的应用价值。

1.5.1 非共价功能化

非共价功能化是在不破坏纳米管原来结构的基础上，利用π—π堆叠作用、疏水相互作用等来实现修饰作用的一种方法。这种功能化不会破坏碳纳米管管壁的一维结构，从而得到结构保持完整的功能化碳纳米管。但是由于其本身是一种弱相互作用，得到的功能化碳纳米管没有共价功能化得到的产物持久、稳定，应用范围受到一定限制，这也是在今后的研究中需要解决的主要问题。

S.Cosnier等[13]将碳纳米管与芘丁酸(1-吡咯)十一酯分散在DMF中，超声混合处理，得到吡咯非共价功能化的碳纳米管。功能化后的碳纳米管在乙腈的分散性大大提高。再以此为原料制得碳纳米管/PPy复合材料，制做电极，组装成原型超电容器。并对其进行了循环伏安、恒电流充放电等电化学测试，测试结果表明，碳纳米管功能化后，CNT和PPy之间通过协同作用，使得碳纳米管/PPy复合材料的电容器比容量有了较大幅度的提高，这种电容器可以看作是制备超电容器的一种理想材料。

Zheng等[14]通过计算机模拟的方法研究分析了碳纳米管-聚乙烯复合材料的基本性能，并运用MM、MD等手段分析采用不同官能团非共价功能化的碳纳米管其性能之间的差异。通过拉伸模拟实验，得出芳香族修饰的碳纳米管与聚乙烯之间的界面切变强度最强，约为500MPa，而烷基、氨基、羧基等修饰的碳纳米管与聚乙烯的相互作用均较弱，这可能是由于芳香族官能团的空间位阻较大，能够镶嵌在聚乙烯之间，从而使碳纳米管与聚乙烯的界面作用显著增强。但同时作者也指出，虽然官能团可以在复合材料中碳纳米管和聚合物之间起到桥梁的作用，但是过多的官能团会在管壁产生较多的缺陷，从而影响复合材料的性能，因此碳纳米管表面的官能团数量需要保持在合适的范围之内。虽然通过计算机模拟所得到的数据与实际数据会存在一定的差异，但这种方法也有其独特的价值，它为我们在设计实验和分析数据时提供了一种新的思路，新的途径。