两亲性聚合物碳纳米管复合材料的研究进展.pdf
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1、 1 3 6 材料导报 A:综述篇 2 0 1 1 年 3月(上)第 2 5卷第 3期 两亲性聚合物 碳纳米管复合材料的研究进展 王旭,张爱波,郑亚萍,张娇 霞(西北工业大学理学 院化学系,西安 7 1 0 1 2 9)摘要 两亲性聚合物具有独特的 p H iN 度响应、自组装等特性,将其与碳纳米管结合制成的两亲性 聚合物 碳 纳米管复合材料具有广阔的应 用前景。介绍 了两亲性 聚合 物 碳 纳米管复合材 料的 3种制 备方 法,即原子 转移 自由 基聚合法、可逆加成一 断裂链转移自由基聚合法和氮氧 自由基聚合法,综述了两亲性聚合物 碳纳米管复合材料在两 亲性、p H 度响应性 等方面的应 用
2、进展。关键词 碳纳米管两亲性聚合物“活性”可控自由基聚合复合材料 D e v e l o p me n t o f Amp h i p h i l i c P o l y me r s C a r b o n Na n o t u b e s C o mp o s i t e s W ANG Xu,ZHANG Ai b o,Z HENG Ya p i n g,Z HANG J i a o x i a (De p a r t me n t o f Ch e mi s t r y,S c h o o l o f S c i e n c e,No r t h we s t e r n P o l y
3、 t e c h n i c a l Un i v e r s i t y,Xi a n 7 1 0 1 2 9)Ab s t r a c t Amp h i p h i l i c p o l y me r h a s u n i q u e p H t e mp e r a t u r e r e s p o n s e,s e l f-a s s e mb l y a n d o t h e r f e a t u r e s Us i n g t h e s e u n i q u e p r o p e r t i e s,c o mb i n i n g a mp h i p h
4、i l i c p o l y me r s wi t h c a r b o n n a n o t u b e s,t h e a mp h i p h i l i c p o l ym e r c a r b o n n a n o t u b e c o mp o s i t e s h a v e g r e a t p r o s p e c t s Th r e e p r e p a r a t i o n me t h o d s f o r a mp h i p h i l i c p o l ym e r c a r b o n n a n o t u b e c o r
5、n-p o s i t e s h a v e b e e n e mp h a s i z e d,i n c l u d i n g a t o m t r a n s f e r r a d i c a l p o l ym e r i z a t i o n,r e v e r s i b l e a d d i t i o n f r a g me n t a t i o n c h a i n t r a n s f e r r a d i c a l p o l ym e r i z a t i o n a n d n i t r o x i d e r a d i c a l
6、p o l ym e r i z a t i o n S u b s e q u e n t l y,a p p l i c a t i o n p r o g r e s s o f a mp h i p h i l i c p o l ym e r c a r b o n n a n o t u b e c o mp o s i t e s o n a mp h i p h i l i c p r o p e r t y a n d p H t e mp e r a t u r e r e s p o n s e i s s u mma r i z e d Ke y wo r d s c
7、a r b o n n a n o t u b e s,a mp h i p h i l i c p o l ym e r s,“l i v i n g”c o n t r o l l e d r a d i c a l p o l ym e r i z a t i o n,c o mp o s i t e s 碳纳米管(C NT)由于具有独特的性能,如电学、光学、力 学性能等已成为 目前科学界研究的热点 卜 l。但 由于碳纳米 管高的比表面积和管间强的范德华力往往容易 团聚成密集 的网络,这种网络很难被外界的机械作用分散开,使得碳纳 米管在有机溶剂中分散很不均匀;而且由于碳纳米管侧壁特 殊的
8、石墨烯结构,碳纳米管与聚合物基体不相容,与聚合物 基体之间的界面结合非常弱,不能从聚合物基体上有效地转 移载荷,因此,对碳纳米管进行改性以提高其在溶剂及基材 中的分散性和加工性,对其在复合材料方面的应用具有十分 重要 的意义l 5 j。两亲性聚合物是指在一个大分子 中同时对两相都具有 亲和性的聚合物,一般指分子结构中同时含有亲水基 团和疏 水基团的聚合物。两亲性聚合物具有独特 的性能,如 p H温 度响应 7 、自组装特性 9-1 1 3 等,因此在众多领域具有潜在 的 应用前景。利用两亲性聚合物这些独特的性能,将其与碳纳 米管结合,制成的两亲性聚合物 碳纳米管复合材料将拥有 更加优异的性能,
9、在信息、生物医学、催化等领域将得到重要 应用。1 两亲性聚合物 碳纳米管复合材料的制备 目前两亲性聚合物 碳纳米管复合材料的制备方法主要 有溶液共混法、原位 聚合法、“活性”可控 自由基 聚合法等。“活性”可控 自由基聚合法作为一种新颖的制备方法可以使 聚合体系中的活性种与休 眠种之间建立一个快速的平衡反 应,降低增长 自由基的浓度,从而达 到调控聚合 的 目的。使 用这种方法不仅可以得 到分子量可控及窄分子量分布 的线 形聚合物,而且可以得到不同结构多种形状 的聚合物,如多 嵌段、梳型、梯型、环状、树枝状和星型。其对合成具有优 良 性能的碳纳米管 聚合物复合材料提供 了新 的方法。近年 来,
10、不少国内外研究者使用这些活性聚合方法成功制备出两 亲性聚合物 碳纳米管 复合材料。“活性”可控 自由基 聚合 法按机理大致可分为:原子转移 自由基聚合法(AT RP)1 8、可逆加成一 断裂链转移 自由基聚合法(R AF T)1 3 和氮氧 自由 基聚合法(NMP)_ l 。1 1 原子转移自由基聚合法 原子转移 自由基聚合是 1 9 9 5年基于有机合成 中的原子 转移 自由基加成反应提出的“活性”可控 自由基聚合方法。原子转移 自由基聚合是以有机卤化物 R X(i l l 卤代苯乙烯)为引发剂、过渡金属配合物为 卤原子载体,通过 氧化还原反 应,在活性种与休眠种之间建立可逆 的动态平衡,从
11、而实现 对聚合反应的控制。其在两亲性聚合物 碳纳米管复合材料 制备方面得到了广泛的研究应用,应用思路是将含有 卤素原*航天创 新基金(C AS C 2 0 0 9 0 6)王旭:男,1 9 8 6年生,硕士研究生,主要从事功能高分子及其 复合材料 等方面 的研 究 E-ma i l:wa n g x u 1 9 8 6 0 2 2 2 1 6 3 c o rn 张爱 波:通讯作者 两亲性聚合物 碳纳米管复合材料的研究进展 王旭等 1 3 7 子的休眠物种通过修饰固定在碳纳米管表面,然后在催化剂 作用下引发各种单体聚合,从而将聚合物 固定在碳纳米管的 表面,制备 出两亲性聚合物 碳纳米管复合材料
12、。Ga o等 将 聚 3-O-二 甲基 丙烯酰基一 a J3 一 r)I 吡喃型葡 萄 糖(P o l y MAG)接枝到多壁碳纳米管(MWNT)上,其过程如 图 1所示。检验原子转移自由基聚合 的可控性发现,通过对 反应时间和单体转化率的控制,可以很好地控制聚合物在碳 纳米管表面上的接枝量。o Cu Br HMT ETA MW NT-g H 图 1 A T R P法 合成 MWNT-g-p o l y MA G 复合材 料 示意 图l 1 Fi g 1 The pr o ce dur e of s y nt he s i s o f M W NT-g-po|y M AG b y AT RP
13、1 2可逆加成一 断裂链转移 自由基聚合法 1 9 9 8 年 C h i e f a r i 等口 报告 了一种新 的可控 自由基 聚合 方法一可逆加成一 断裂链转移 自由基聚合法,即在 自由基聚 合体系中引入一种高效链转移剂,其与增长 自由基发生可逆 加成一 断裂链转移,进行“活性”可控 自由基 聚合。其在 两亲 性聚合物 碳纳米管复合材料制备方 面的应用思路是:在碳 纳米管表面引入可逆加成一 断裂链转移 自由基聚合链转移剂,反应体系 中加入 引发剂,引发聚合反应后,链转移效应可 以 在碳纳米管表面得到可控的高分子层;也可以在碳纳米管表 面引入引发剂,反应体系中加入可逆加成一 断裂链转移
14、自由基 聚合链转移剂调控聚合反应,从 而制备出两亲性 聚合物 碳 纳米管复合材料。王平华等口 首先在碳纳米管表面接上可用作 可逆加成一 断裂链转移 自由基聚合的链转移剂二硫代碳酸酯,然后 用这些管壁接有二硫代碳酸酯的碳纳米管作为链转移剂引 发甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯进行可控的 自由基共聚反应,从 而在碳纳米管表面接枝甲基丙烯酸甲酯和苯 乙烯共聚物,制 备出聚 甲基丙 烯 酸 甲酯一 聚苯 乙烯 碳 纳 米 管 复 合 材 料(MW NT PMM A C O PS)。1 3 氮 氧 自 由基 聚合 法 1 9 9 3年 Ge o r g e s等 提 出了氮氧 自由基聚合法,即在聚 合体系 中加入
15、 2,2,6,6-四 甲基 哌 啶一 l 一 氧 自由(Te mp o),T e mp o 与增长链 自由基结合形成休眠种,因其在受热下可逆 分解,链 自由基又可与单体加 成聚合,实现活性聚合。其在 两亲性聚合物 碳纳米管复合材料 制备方 面的应用思路是:将含有氮氧游离基的休 眠种 固定在碳纳米管表 面进行 可控 聚合反应,从而制备出两亲性聚合物 碳纳米管复合材料。Z h a o等 先 在 碳 纳 米 管 表 面 引 入 Te mp o,记 为 MWNT Te mp o,以 MWNT-Te mp o为引发剂,引发体系发生 氮氧 自由基 聚合,先后使 聚苯乙烯(P S)、聚 4 一 乙烯基吡 啶
16、(P 4 VP)接枝在碳纳米管表面,合成两亲性聚合物 碳纳米管 复合材料(MWNT-P S-b P 4 VP),如图 2所示。干 H 0”、h NMRP N MW NT P S h P4 VP 图 2 NMP法合成 MWNT-P S-b-P 4 V P复合材料示意图 Fi g 2 The pr o ce dur e of s y nt he s i s of M W NT-PS-b-P4VP b y NM p 2 两亲性聚合物 碳纳米管复合材料的性能及 应 用 两亲性聚合物 碳纳米管复合材料不仅具有 良好的分散 性,可以充分发挥碳纳米管独特 的性能,而且由于两亲性聚 合物的存在因而具有 自组装
17、、温度响应以及 p H响应等性能,这些优越的性能使两亲性聚合物 碳纳米管复合材料在生物 医学、电子器件等领域拥有广阔的应用前景。2 1 两亲性及应用 两亲性聚合物 碳纳米管复合材料所具有的两亲性可使 其在水和有机 溶剂中很好地分散,这一性能 使两亲性聚合 物 碳纳米管复合材料在机械、电子、光学方面具有巨大的应 用前景。Qi u等。将 N一 乙烯基吡咯烷酮(NVP)接枝到碳纳米管 的表面,制 备 出 聚 乙烯 基 吡 咯 烷N 碳 纳 米 管 复 合 材 料(MWNT-P VP),此复合材料表现出了两亲性,在水和有机溶 剂 中均可以很好地分散。王国建等 2 制备 了聚乙烯基 吡咯烷酮 聚甲基丙烯
18、酸 碳纳米管复合材料(MWNT-P VP b P MAA),通 过对 比弱亲 油性的纯碳纳米管和酸化后亲水性的碳 纳米管在水和氯仿 形成的两相体系中的分散情况,发 现只有两亲性聚合物 碳 纳米管复合材料因具有两亲性可以均匀分散在两相界面上。酝 1 3 8 材料导报 A:综述篇 2 0 1 1年 3月(上)第 2 5卷第 3 期 2 2 p H 温度 响应 性及应 用 p H 温度响应性是指材料在外界的 p H或者温度发生微 小变化而引起较大物理变化或化学变化 的性能。其在多个 领域都具有潜在 的应用价值,特别是在药物载体用于控释、基因治疗等生物医学应用方面。李文文等E 2 2 制备 了聚甲基丙
19、烯酸一 2 一(N,N一 二乙氨基)乙 酯 碳纳米管复合材料(MwNr r _ P D E AE MA)。复合材料 的 p H响应性可以通过原子力显微镜进行观察,其水溶性会随 着 p H值的改变有较大幅度的变化;当 p H值为 3时,复合材 料分散得 比较好;p H值为 1 O时,复合材料开始聚集形成一 种网状结构。这种复合材料可应用在智能纳米器件 的制备 方面。徐国永 2 制备了聚苯乙烯一 聚(N一 异丙基丙酰胺)碳纳 米管复合材料(MWN T-P S-b-P N I P A M),其具有与本体 P N I P AM相似的温度响应性质。差示扫描量热法(D S C)测 量 MWN P S _
20、b P NI P AM在水溶液中的相转变温度为3 3 2,表明复合材料的形态可以通过外界温度智能调控,进一步拓 展了碳纳米管在化学阀、吸附分离、传感器及药物释放 等领 域的应用。2 3自组装性 及应用 分子 自组装是在一定条件下分子与分子依赖非共价键 分子间作用力 自发连接成结构稳定 的分子 聚集体 的过程。两亲性聚合物 碳纳米管复合材料 的自组装性能对碳纳米管 的结构和应用研究有重要意义,在此基础上可以将复合材料 应用到电子器件和纳米集成电路等各种新型器件上。Wa n g 等 2 制备了聚苯乙烯一 聚甲基丙烯酸 碳纳米管复 合材料(MWNT _ P P MAA),并研究了其在选择性溶剂中的
21、自组装行为,发现随着 P MAA嵌段的增长,复合材料 的自组 装结构不仅变得有序一致,而且尺寸可达到 3 7 ,m。P a r k等口 制备了聚(2-乙基 2 一 唑啉)一 聚 己内酯 单壁碳 纳米管复合材料(P E t O z-P C L S WN T),并研究 了其 自组装 行为,研究表明,聚丙烯酸(P AA)或聚甲基丙烯酸(P MAA)作为复合材料 的溶液相,当 p H 值达 到 7时 P E t O z P C L S WNT中的 P E t Oz 嵌段与 P AA或 P MAA之间的氢键会被 破坏而重新分散,这个结果为在预感应装置中的碳纳米管 自 组装提供 了一种思路。由于 P E
22、t O z 独特的性质,其可以作为 金属纳米粒子 的载体,如 Au和 P d等纳米粒子能够附着在 P E t Oz-P C L S WNT复合层的 P E t Oz壳上。2 4 生物相容性及应用 生物相容性是指材料与生物体之问相互作用后产生的 各种生物、物理、化学等反应,即材料植入人体后与人体的相 容程度。良好的生物相容性,开拓了两亲性聚合物 碳纳米 管复合材料在生物医学方面的应用。X u等_ 2 以含有磷酸胆碱基德仿细胞膜的两亲性聚合 物胆固醇封端的聚(2-甲基丙烯 酰氧基 乙基磷酸胆碱)(C P MP C)为表面稳定 剂,利用两亲聚合物中的胆 固醇疏水 段与碳纳米管表面进行非共价键的稳定结
23、合制备 出两亲性 聚合物 碳纳米管复合材料,通过两亲聚合物 中聚(2-甲基丙 烯酰氧基乙基磷酸胆碱)(c P MP c)亲水段实现 了复合 材料 的水溶性和生物相容性,并 以商业可获得 的典 型的两亲分 子末端为胆固醇的聚氧乙烯(C P E G)和卵磷脂为对照进 行研究。研究表 明C NT-C P MP C和 CN T-C P E G的分散性能 比 C N 卵磷脂好,而 C N T-C P MP C的稳定性和生物相容性 比 C NT-C P E G好。Ho n g等。先用含有大量高活性的顺丁烯二酸酐基 团的长链聚合物对多壁碳纳米管进行改性,然后通过与这些 基团的反应,可 以很容易地将长链聚合物
24、(如蛋 白质、缩氨 酸)或一些小的功能化分子(如氨基糖)直接接枝到多壁碳纳 米管表面,提供 了一种很简便的方 法,即通过在复合材料表 面接枝蛋白质、氨基糖、维生 素、缩氨酸等,使复合材料具有 生物相容性。2 5 其 它性能 及应 用 Z h u 等 3 将 两 亲性 聚(2-(甲基 丙烯 酰)乙基 磷 酰)(P MP C)接枝到多壁碳纳米管表面,这种两亲性聚合物 碳纳 米管复合材料具有一定的仿生功能,水溶性很高,在 p H值和 盐浓度变化的生理环境下可以保持稳定,不会引起血液的凝 固,开拓了在医学方面的应用前景。Wa n g 等【用聚苯乙烯和聚 乙烯吡咯烷酮合成 了两种 两亲性共聚物 P S
25、c o P VP和 P S-b P VP,随后合成 了 C N T-P S、C NT-P VP、C NT-P S-b-P VP、C NT-P S-c o-P VP等两亲性 聚合物 碳纳米管复合材料,并研究了这 4 种复合材料对 甲 醇、三氯 甲烷、四氢呋喃等有机溶剂蒸气的气敏性,发现复合 材料对不同的有机溶剂 的气敏性取决于复合材料 的成分和 有机溶剂蒸气本身的性质。通过对复合材料膜进行扫描电 子显微镜和透射电子显微镜观察,发现 了复合材料的感应机 制,并发现感应行为与复合材料的成分和形态有关。这些发 现对制造出室温下对有机溶剂具有 良好选择性 的感应器打 下 了基础。Da t s y u k
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- 两亲性 聚合物 纳米 复合材料 研究进展
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