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中南民族大學張道洪教授團隊《ACS Appl. Mater. Inter.》:在超支化聚合物改性碳納米管薄膜領域取得新進展
2019-12-23  來源:高分子科技

  近日,中南民族大學張道洪教授課題組在《ACS Appl. Mater. Inter.》上發表題為“Simultaneous Improvement on Strength, Modulus, and Elongation of Carbon Nanotube Films Functionalized by Hyperbranched Polymers”的研究論文。中南民族大學碩士研究生段騫汪雙元為論文的共同第一作者,張道洪教授為唯一通訊作者,中南民族大學系第一作者單位,合作者包括澳大利亞CSIRO的Principal Scientist苗孟河博士和武漢工程大學的陳蘇芳博士。

  碳納米管(CNT)由于其高韌性、高強度和高導電率等特性,廣泛應用于柔性電極材料、導電薄膜、復合材料和智能紡織品等領域。然而,由于CNT之間較弱的相互作用,使得CNT薄膜僅具有部分本征性能。近年來,研究者們常利用有機溶劑、環氧樹脂和機械滾壓等物理改性方法以及強酸和電子輻射等化學改性方法來改善CNT薄膜的致密性、強度和導電性。然而有機溶劑、低濃度聚合物溶液浸漬和干燥后的CNT內部仍有明顯界面,強酸改性將破壞CNT內部結構,CNT薄膜難于浸漬和均勻功能化等原因導致改性后的CNT薄膜各部分性能差別較大、數值離散性高,拉伸強度、模量和延伸率難于同時提高。

  針對上述不能同時提高CNT薄膜強度、模量和延伸率的問題,在國家自然科學基金、湖北省自然科學基金創新群體和中央高;A研究經費等項目資助下,團隊通過詳細分析和研究,具有條件溫和、高效快速和可控反應特點的硫醇-烯烴點擊反應化學改性CNT薄膜,不僅可以提高導電率、強度和模量,還有望均勻功能化CNT薄膜,提高薄膜性能穩定性和延伸率,以此為基礎,團隊利用端巰基超支化聚合物(THBP-n)通過硫醇-烯烴點擊反應對原始碳納米管(PCNT)薄膜進行功能化,然后對其進行機械軋制致密化得到超支化聚合物功能性CNT薄膜(HPCNT-n)。該方法制備的HPCNT-n不僅能夠提高薄膜的強度和模量,還能夠協同增加薄膜的延伸率(圖1)。THBP-n的高巰基含量使CNT之間形成了高度交聯的網絡,提供了高效的載荷傳遞,提高了所得薄膜的拉伸強度和模量,同時還具有可壓縮的超支化結構,促進CNT之間的變形和滑移,從而提高延伸率(圖2)。這種協同增強CNT薄膜強度、模量和延伸率的方法為制備高強度CNT薄膜提供了一種新的策略,對CNT薄膜的規;瘧镁哂兄匾膶W術價值和實際意義。

圖1 PCNT、致密化碳納米管(PRCNT)和HPCNT-6薄膜的性能(a.應力-應變曲線,b.拉伸強度和比強度)

圖2 THBP-n協同增強CNT薄膜拉伸強度、模量和延伸率的機理示意圖

  該研究團隊入選了湖北省自然科學創新群體,依托中南民族大學化學與材料科學學院、催化轉化與能源材料化學教育部重點實驗室和超支化聚合物合成與應用技術湖北省工程研究中心,長期從事超支化聚合物合成及應用領域研究,主持“超支化聚合物”領域的國家自然科學基金項目10項、省重大重點和企業委托項目30余項,獲授權國家發明專利45件。創建武漢超支化樹脂科技有限公司,實現超支化聚合物系列產品的產業化,建成年產千噸級超支化聚合物生產線。部分成果獲湖北省科學技術發明獎一等獎、中國石油與化學工業聯合會科學技術發明獎一等獎等榮譽。近幾年課題組在超支化聚合物合成(Nature Sustainability, 2019, DOI: 10.1038/s41893-019-0444-6; Chem. Eng. J., 2018, 343: 283; Chem. Eng. J., 2018, 334:1371; Chem. Eng. J., 2020, 281, 122719: 1; Compos. Part B-Eng., 2019, 160: 615; Prog. Org. Coat., 2019, 127:157)和超支化聚合物應用(ACS Appl. Mater. Inter., 2019, 11, 39: 36278; Chem. Eng. J., 2019, 371: 145; Nanoscale, 2019, 11, 7188;ACS Appl. Mater. Inter., 2017, 9, 23: 19900; Appl. Surf. Sci., 2019, 486: 144-152)領域的代表性成果促進了相關領域快速健康發展。

  文章信息:Qian Duan#, Shuangyuan Wang#, Qiufan Wang, Ting Li, Sufang Chen, Menghe Miao, Daohong Zhang*. Simultaneous improvement on strength, modulus and elongation of carbon nanotube films functionalized by hyperbranched polymers, ACS Appl. Mater. Inter., 2019, 11(39): 36278-36285. DOI: 10.1021/acsami.9b12368.

  文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b12368

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(責任編輯:xu)
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