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碳納米管又稱巴基紙,自從1991年被日本物理學家飯島澄男發現以來,引起人們的廣泛關注。碳納米管直徑一般為2~20nm,根據石墨烯的層數可以分為Sing-walled　nano-tubes(SWNTs)和Multi-walled　nanotubes(MWNTs)。碳納米管以其良好的力學性能和優異的導電性,在復合材料、傳感器以及太陽能電池領域都有廣泛的應用。尤其是碳納米管獨特的中空結構非常有利于染料敏化劑的吸附。但是由于碳納米管分子之間存在較強的π-π雙鍵結合力,團聚現象嚴重,自身溶解性能不好,并且在有機溶劑中的分散性能較差,對其應用有一定的限制,所以需要對碳納米管進行功能化處理。

目前,碳納米管功能化處理常見的方法有混酸處理、微波法和等離子體刻蝕。通過改性,不僅可以提高碳納米管在有機溶液中的分散性能,而且可以提高碳納米管表面活性,促進其與其他復合物發生反應。常見的混酸處理方法采用具有強氧化性的酸,比如HNO3、H2SO4,通過在碳納米管表面添加羥基、羧基等含氧官能團來達到改性的目的。

但是這種方法產生的廢液會對環境造成污染,用時較長,并且會對碳納米管本身結構造成損傷。相對于傳統的混酸處理方法,等離子處理技術不僅具有環保,節能和節約時間等優點,而且還可以選擇不同的氣氛,在碳納米管表面添加不同種類的官能團,以達到改善性能的目的。

氧等離子處理對碳納米管分散性的影響

將10mg經處理后的改性碳納米管分別至于20mL的DMF溶液中,超聲震蕩1h,然后靜置1h。圖1反應的是氧等離子技術處理后的碳納米管在DMF溶液中的分散情況,從左向右試管分別裝有處理時間為0、5、10、15、20min的碳納米管分散液。由圖1可以看出,未經氧等離子處理的碳納米管懸浮液出現明顯的分層,分散效果不好。處理5min和10min之后的碳納米管分散性能得到明顯的改善,當處理時間為15min和20min時,改性的碳納米管在DMF溶液中分散良好。這是因為未處理的碳納米管分子之間存在較強的范德華力,團聚現象嚴重,而氧等離子處理減弱了這種作用力。另外,氧等離子技術會在碳納米管表面接枝含氧官能團,有效改善其在有機溶劑中的分散性能。圖2為處理15min的碳納米管SEM譜圖。由圖可知,碳納米管直徑均勻,很少出現團聚現象,這進一步說明氧等離子技術對碳納米管改性成功,并且沒有對碳納米管基體造成傷害。

氧等離子處理可以有效提高碳納米管的表面活性,它以加速電子或者離子的形式給碳納米管施加能量,使其表面活化增強,產生自由基。碳納米管進一步與通入的氧氣發生反應,生成含氧官能團，從而改善其在有機溶劑中的分散性能。