[01167519]碳纳米管的表面改性及其对聚合物的阻燃与增强作用

碳纳米管（CNTs）由于其独特的结构而表现出奇特的物理化学性质,成为举世瞩目的新材料。自上世纪90年代初面世后,碳纳米管已在光电器件、导电膜、探针等领域显示出诱人的应用前景。近年来,由于CNTs大规模生产技术取得了突破,成本逐渐降低,碳纳米管在应用广泛的高分子材料中的增强、增韧、阻燃等开始成为另一个研究热点。 然而,由于碳纳米管与聚合物复合时极易团聚,给其进一步应用造成很大的困难。要想达到更好的阻燃和增强效果,必须先对其表面进行功能化处理。传统的碳纳米管表面功能化处理方法大多集中在对其进行接枝或包覆有机化合物或聚合物。这些化合物虽然可以提高碳纳米管在基体中的分散,但包覆物本身的易燃性无疑不利于高分子材料本身的阻燃性能,如何解决两者之间的矛盾成为提高聚合物/碳纳米管复合材料阻燃性能的关键。 针对有机化合物或聚合物表面改性不利于阻燃的不足,本课题组提出采用阻燃剂或阻燃剂的前驱体对碳纳米管进行表面修饰的学术思想。在国家973计划和国家自然科学基金等多个课题资助下,在碳纳米管阻燃聚合物机理、新型含磷氮的膨胀型阻燃剂的合成、碳纳米管表面处理新方法等方面开展了系统的研究,取得了一系列创新成果,这些成果丰富了聚合物纳米复合材料界面改性的方法,深化了纳米阻燃机理的认识,对碳纳米管在聚合物增强、阻燃领域的应用有显著的推动作用。 本项目主要创新性成果包括： 1.提出了采用阻燃剂或阻燃剂的前驱体对碳纳米管进行表面修饰的学术思想。通过化学接枝、等离子体引发接枝、静电吸附等方法实现了磷氮化合物、富勒烯、层状双金属过氧化物等阻燃组元对碳纳米管的表面修饰,改善了碳纳米管的分散,避免了采用易燃的有机化合物或聚合物修饰碳纳米管对聚合物阻燃造成的负面影响,实现了碳纳米管对聚合物的阻燃和增强双重改性作用。 2.优化了多种碳纳米管的表面修饰方法。采用表面酸化—氨基化改性方法,大大提高了碳纳米管在环氧树脂基体中的分散性及其与基体的界面粘结性,提高了复合材料的综合性能;采用可聚合的多元皂作为中间体,大幅度提高了碳纳米管表面接枝效率。 3.设计合成了多种新型含磷氮的膨胀型阻燃剂并进行了结构表征,阐明了其对PET、PS、ABS、PP等高分子材料的阻燃作用规律和阻燃机理。 4.深化了对碳纳米管阻燃和增强聚合物机理的认识。发现碳纳米管除了前人已知的形成炭层阻隔热、质传递,从而起到阻燃作用外,其网络结构提高了聚合物的熔体黏度,降低了聚合物降解形成的可燃性挥发物向气相的扩散速率,从而延缓了燃烧速率;发现在碳纳米管/尼龙复合材料中存在多种晶型,碳纳米管作为成核点,诱导alpha晶的生成,从而更显著地起到增强作用。 发表SCI收录论文46篇,影响因子合计142,被SCI-Expanded/CPCI-S/CSCD他引845次,其中SCI-Expanded 他引716次。其中十篇代表性论文累计他引370次,其中SCI-Expanded他引332次。此外,在国外出版的学术专著中撰写专论2章,获得授权发明专利2项,培养博士研究生6人,硕士研究生3人。 国内权威同行认为,本成果是一项具有国际先进水平的理论成果。