氮化硼纳米管的制备、活化及其高分子复合材料

论文摘要

氮化硼纳米管由于其特殊的结构、性能,引起了人们的广泛兴趣,成为了近年来研究的热点。氮化硼纳米管许多方面的性能表现不同于甚至优于碳纳米管。例如,氮化硼纳米管是带宽很高（约为5.5 eV）的半导体,其导电性质与管径和螺旋度没有直接关系。再如,氮化硼纳米管具有比碳纳米管更好的耐高温性能、更高的抗氧化性、更强的抗化学腐蚀性、更优的热传导性质和更好的韧性。这些优良的特性使得氮化硼纳米管在许多领域中有着潜在的应用价值,比如高温下工作的半导体纳米材料、高温热传导纳米复合材料、高温绝缘材料等。本论文研究了氮化硼纳米管的合成、活化及其与高分子材料的复合,并对合成得到的产物进行了结构表征。研究工作分为五章,研究结果可以概括如下:第一章:简要地对氮化硼纳米管的合成、基本性能、可能的应用领域以及在纳米材料领域的相关研究工作进行了综述,并阐明我们的选题依据以及研究内容。第二章:系统研究了以硼酸为硼源、氨气为氮源、碳纳米管为模版来制备氮化硼纳米管的方法,并对合成的产物运用红外光谱、光电子能谱、X—射线粉末衍射、热重分析、扫描电镜和透射电镜等手段进行了充分的表征,揭示了反应物配比、反应物位置、反应气体流量、反应温度对氮化硼纳米管合成的影响,优化了实验条件,最后提出了取代反应的可能的形成机制。第三章:主要介绍了氮化硼纳米管的活化策略（利用异佛尔二异氰酸酯与纳米管上的氨基发生反应,在纳米管上嫁接上一个高度活性的异氰酸基团）以及活化后的氮化硼纳米管与酸、胺、醇三类化合物反应性,并对产物运用红外光谱、光电子能谱、热重分析等手段进行了充分表征。实验结果表明,经过异佛尔二异氰酸酯的活化,活性的氮化硼纳米管可以与质子性化合物发生反应,它们之间能够形成共价键。第四章:主要研究了活化后的氮化硼纳米管与聚乙烯醇和羟丙基甲基纤维素两种高分子材料的复合以及纳米复合材料的力学性能,并对实验结果进行了详细的讨论。研究结果表明,随着活性氮化硼纳米管量的增加,材料的力学性能也相应得到提高。原因在于活性氮化硼纳米管能够和高分子形成共价键,使得改性后的氮化硼纳米管能在复合材料中均匀分散,这种分散能有效地将施加在纳米复合材料上的外力转移到纳米管上,从而提高纳米复合材料的力学性能。第五章:介绍了我们在小富勒烯方面取得的一些研究成果。第一,以环戊酮为起始原料来合成碗状化合物C21H12;第二,对笼状化合物C24Cl12的合成进行了初探。路线一,先合成含有相邻五元环的氯化物C8Cl10,然后在高温下热解;路线二,先合成含有相邻五元环的酮(C8H10O),三聚合成C24Cl12的前驱体,然后在真空闪速热解（FVP）条件下合成C24Cl12。虽然实验结果没有朝预期的方向进行,但是有关小富勒烯的合成工作有待进一步开展;第三,成功地培养了C50Cl10晶体,并进行了结构解析。C50Cl10分子有两个结构特征,一为相邻五元环的存在,二为“顶盖”C20骨架的芳香性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 氮化硼纳米管的结构
• 1.3 氮化硼纳米管的合成
• 1.3.1 电弧放电法
• 1.3.2 激光蒸发（或烧蚀）法
• 1.3.3 电弧熔融法
• 1.3.4 机械球磨法
• 1.3.5 碳纳米管取代反应法
• 1.3.6 化学气相沉积法
• 1.3.6.1 前驱体高温热解法
• 1.3.6.2 金属硼化物的固—气相反应
• 1.3.6.3 与金属氧化物的高温化学反应
• 1.3.7 其他方法
• 1.4 氮化硼纳米管的掺杂、填充和功能化
• 1.4.1 掺杂
• 1.4.2 填充
• 1.4.2.1 簇合物填充
• 1.4.2.2 金属丝填充
• 1.4.3 功能化
• 1.4.3.1 共价功能化
• 1.4.3.2 π—π相互作用功能化
• 1.4.3.3 其它相互作用类型的功能化
• 1.4.3.4 纳米离子的功能化
• 1.5 氮化硼纳米管的物理性质
• 1.5.1 热稳定性
• 1.5.2 热传导
• 1.5.3 电学性质
• 1.5.4 机械力学性能
• 1.6 氮化硼纳米管的应用
• 1.6.1 氮化硼纳米管复合材料
• 1.6.2 氮化硼纳米管增强玻璃和陶瓷
• 1.6.3 储氢性能
• 1.6.4 纳米电子绝缘体
• 1.7 本论文的选题依据和研究内容
• 参考文献
• 第二章 氮化硼纳米管的制备与表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 化学试剂
• 2.2.2 实验装置
• 2.2.3 样品合成
• 2.2.4 仪器表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 碳纳米管的表征
• 2.3.1.1 扫描电镜和透射电镜分析
• 2.3.1.2 热重分析
• 2.3.2 氮化硼纳米管的表征
• 2.3.2.1 X—射线粉末衍射
• 2.3.2.2 热重分析
• 2.3.2.3 红外光谱分析
• 2.3.2.4 光电子能谱分析
• 2.3.2.5 扫描电镜和透射电镜分析
• 2.3.3 实验条件对氮化硼纳米管合成的影响
• 2.3.3.1 反应物摩尔配比对氮化硼纳米管的影响
• 2.3.3.2 反应温度对氮化硼纳米管的影响
• 2.3.3.3 反应时间对氮化硼纳米管的影响
• 2.3.3.4 氨气流量对氮化硼纳米管的影响
• 2.3.3.5 反应物所放置的位置
• 2.3.4 氮化硼纳米管的生长机制
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 氮化硼纳米管的活化
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 化学试剂
• 3.2.2 样品合成
• 3.2.3 仪器表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 活性氮化硼纳米管的表征
• 3.3.2 活性氮化硼纳米管与羟基、氨基和羧基类化合物反应产物的表征
• 3.3.2.1 红外光谱分析
• 3.3.2.2 光电子能谱分析
• 3.3.2.3 热重分析
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 氮化硼纳米管复合材料的制备、表征与性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 氮化硼纳米管与高分子的反应
• 4.2.1 实验部分
• 4.2.1.1 化学试剂
• 4.2.1.2 样品合成
• 4.2.1.3 仪器表征
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 氮化硼纳米管/聚乙烯醇复合材料的制备及其性能研究
• 4.3.1 实验部分
• 4.3.1.1 样品制备
• 4.3.1.2 仪器表征
• 4.3.2 结果与讨论
• 4.3.2.1 氮化硼纳米管/聚乙烯醇复合材料样品形貌
• 4.3.2.2 氮化硼纳米管在聚乙烯醇复合材料中的均匀分散
• 4.3.2.3 复合材料的热重测试结果分析
• 4.3.2.4 复合材料的DSC测试结果分析
• 4.3.2.5 复合材料的力学性能研究
• 4.3.2.6 氮化硼纳米管增强聚乙烯醇复合材料的机理探讨
• 4.4 氮化硼纳米管/羟丙基甲基纤维素复合材料的制备及性能研究
• 4.4.1 实验部分
• 4.4.1.1 材料制备
• 4.4.1.2 仪器表征
• 4.4.2 结果与讨论
• 4.4.2.1 氮化硼纳米管/羟丙基甲基纤维素复合材料样品形貌
• 4.4.2.2 氮化硼纳米管在羟丙基甲基纤维素复合材料中的均匀分散
• 4.4.2.3 复合材料的热重测试结果分析
• 4.4.2.4 复合材料的力学性能研究
• 4.4.2.5 氮化硼纳米管增强羟丙基甲基纤维素复合材料的机理探讨
• 4.5 小结
• 参考文献
• 第五章 富勒烯及其富勒烯碎片的合成与表征
• 5.1 引言
• 20分子的合成'>5.1.1 富勒烯C₂₀分子的合成
• 60分子的合成'>5.1.2 富勒烯C₆₀分子的合成
• 5.1.3 富勒烯碎片的合成
• 21H₁₂的合成'>5.2 碗状化合物C₂₁H₁₂的合成
• 5.2.1 实验部分
• 5.2.1.1 化学试剂
• 5.2.1.2 样品合成
• 5.2.1.3 仪器表征
• 5.2.2 结构表征
• 5.2.2.1 化合物1的结构表征
• 5.2.2.2 化合物2的结构表征
• 5.2.3 小结
• 24C1₁₂的合成'>5.3 笼状化合物C₂₄C1₁₂的合成
• 5.3.1 实验部分
• 5.3.1.1 化学试剂
• 5.3.1.2 样品合成
• 5.3.1.3 仪器表征
• 5.3.2 结构表征
• 5.3.2.1 化合物1的结构表征
• 5.3.2.2 化合物2的结构表征
• 5.3.2.3 化合物3的结构表征
• 5.3.2.4 化合物4的结构表征
• 5.3.2.5 化合物6的结构表征
• 5.3.3 结果与讨论
• 5.3.4 小结
• 50C1₁₀的晶体结构'>5.4 C₅₀C1₁₀的晶体结构
• 5.4.1 实验部分
• 5.4.1.1 化学试剂
• 5.4.1.2 样品合成
• 5.4.1.3 仪器表征
• 5.4.2 结果与讨论
• 5.4.3 小结
• 参考文献
• 致谢
• 附录一
• 附录二