新型敏感的取向碳纳米管/高分子复合材料

【摘要】功能高分子如环境敏感的高分子材料近年来虽然取得了巨大进步,但仍面临很多挑战,包括刺激源有限、灵敏度低、可逆性差等,难以满足实际应用的要求。一个有效的解决途径是引入无机功能组分,通过高分子与无机组分的协同作用,制备高性能的敏感复合材料。碳纳米管因为其独特的一维纳米结构和优异的化学物理性能,成为无机功能组分的理想材料。为有效实现高分子与碳纳米管的协同作用,获得高性能的复合材料,要求碳纳米管在高分子基体中取向排列。但是,目前的研究工作都基于碳纳米管在高分子基体中无规分布,对于碳纳米管取向后,二者之间相互作用机制和规律几乎没有研究。本论文首次对取向碳纳米管与高分子的相互作用展开研究,系统揭示了取向碳纳米管与高分子之间的协同作用对复合材料性能的影响规律。在此基础上,选取两类代表性的敏感高分子,即具有共轭主链的敏感变色聚二炔和具有共轭侧链的敏感变形偶氮苯基液晶高分子,发现取向碳纳米管与高分子的协同作用产生新的电致变色和光致变形现象,并总结出新型环境敏感响应的机制和规律。取向碳纳米管的制备与性能研究。首先通过化学气相沉积法合成具有取向结构的碳纳米管阵列,然后进一步通过干法纺丝制备取向的碳纳米管薄膜和纤维。重点研究了取向碳纳米管材料的结构及其力学和电学性能,发现碳纳米管的取向结构赋予其优异的力学性能(如断裂强度超过500MPa)和电学性能(如室温下电导率达到480Scm-1)。取向碳纳米管/共轭高分子的相互作用。以共轭高分子聚噻吩和聚二炔作为模型,分别与取向碳纳米管复合,系统研究共轭高分子与取向碳纳米管之间的相互作用,特别是取向碳纳米管对共轭主链排列的影响。结果表明,聚噻吩共轭主链垂直于取向碳纳米管方向有序排列,进一步研究发现热处理和膜厚度是影响其取向度的两个重要因素。与聚噻吩不同,聚二炔的共轭主链平行于取向碳纳米管方向有序排列。聚噻吩和聚二炔主链不同的排列方向可能源自主链不同的组成和结构。这些规律对于发展高性能的光电敏感材料与器件具有重要的指导意义。电致变色的取向碳纳米管／聚二炔复合纤维。基于取向碳纳米管与聚二炔的相互作用,制备出具有高强度和高电导率的取向碳纳米管／聚二炔复合纤维,并首次发现聚二炔复合纤维通电时快速可逆变色现象。重点研究并揭示了聚二炔新型电致变色的机制和规律,即取向碳纳米管通电时形成的电场诱导聚二炔的极性侧链发生重排,最终导致聚二炔主链构象发生变化而显示颜色变化。另外,复合纤维也在其他外界刺激如机械摩擦、化学试剂和热等作用下发生颜色变化。光致变形的取向碳纳米管／偶氮苯基液晶高分子复合材料。在取向碳纳米管材料中加入侧链含有偶氮苯共轭结构的液晶高分子,发现碳纳米管可以有效诱导液晶基元进行取向,从而发展出一种制备液晶材料的新途径。该方法克服了传统机械摩擦法中微米尺度沟槽不能有效诱导液晶基元取向,以及机械摩擦时难以克服的缺陷和静电积聚现象。并且通过改变复合材料的制备途径,可以调控液晶基元的取向方向。进一步研究发现,取向碳纳米管／液晶高分子复合材料显示独特的光致变形敏感现象,如在紫外光照射下复合材料发生可逆变形,无需使用可见光,而目前报道的偶氮苯基液晶材料都必须在紫外和可见光交替照射下发生可逆变形。取向碳纳米管的引入也大大增强了复合材料的力学性能,并赋予其一定的导电性,如断裂强度和电导率分别达到约1GPa和350Scm-1。基于取向碳纳米管／液晶高分子复合材料优异的力学、电学和敏感性能,本论文重点探讨其在远程电子开关中的应用。总结来说,本论文基于取向碳纳米管与功能高分子的相互作用,提出并发展了具有普适性的制备高性能光电敏感材料的方法,获得具有环境响应性的一系列新型智能高分子复合材料,并重点揭示了复合材料电致变色与光致变形的机制和规律,探讨新型复合材料在敏感器件和电子开关等领域的应用,为进一步发展高性能光电材料与器件提供理论依据与实验支持。
【作者】孙雪梅；
【导师】彭慧胜；
【作者基本信息】复旦大学，高分子化学与物理，2013，博士
【关键词】取向碳纳米管；共轭高分子；液晶高分子；电致变色；光致变形；

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