偶氮液晶功能化多壁碳纳米管及其复合材料的初步研究

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碳纳米管(CNTs)以其独特的结构和优异的性能在化学、物理及材料科学等领域中有广泛的应用前景。然而CNTs自身的不熔不溶性、易缠结和加工处理困难严重制约了其研究与应用。研究表明化合物修饰CNTs能改变CNTs表面性质,提高其分散性、增强与基体材料之间的界面结合力,因此,开展这方面的研究工作具有重要意义。本论文选择分子链上具有丰富活性基团的聚合物共价修饰多壁碳纳米管(MWNTs)以提高其表面化学反应活性和改善其分散性;在此基础上,将功能化后MWNTs与偶氮液晶反应制备出偶氮液晶功能化MWNTs的新型纳米复合材料;最后,通过溶液共混法将不同处理方式得到的三种碳管分别与偶氮液晶复合得到三种复合材料。主要内容如下:(1)采用相转移催化法,将聚对氯苯乙烯(PCMS)与MWNTs反应,获得了MWNT-PCMS。FTIR测试结果显示PCMS通过酯键的方式接枝到MWNTs表面,其表面拥有丰富的活性卞氯基团;SEM、TEM观察结果显示MWNT-PCMS具有明显的核-壳结构,PCMS层厚度约为3-5nm,TGA结果显示PCMS的接枝率为31wt.%;分散性实验证实MWNT-PCMS在有机溶剂中的分散性与稳定性明显提高。(2)通过重氮化和取代反应合成了偶氮液晶单体(AZO-Br),将其与对苯二酚反应得到偶氮液晶基元LC-OH。FTIR、1H NMR光谱证实了AZO-Br和LC-OH的分子组成与结构;UV-vis吸收光谱显示AZO-Br具有光致异构特性且其光致异构化速率高达0.86×10-1s-1;DSC分析结果显示AZO-Br和LC-OH具有双向液晶性,POM证明AZO-Br和LC-OH在液晶区间显示出典型的纹影织构,属于向列相液晶。(3)利用卤代烃(MWNT-PCMS)与酚羟基(LC-OH)之间的取代反应制备出偶氮液晶功能化的MWNTs(MWNT-PCMS-LC)新型复合材料。FTIR光谱分析表明LC-OH共价接枝到MWNT-PCMS表面;SEM和TEM观察发现,MWNT-PCMS-LC整体比较粗糙,管径大小不均匀,管壁包覆的无定形层厚度增加到5-8nm;TGA结果显示MWNT-PCMS-LC在200-550℃之间内明显失重,在550℃时,其失重率达到53wt.%。(4)采用溶液共混法制备了MWNTs/LC、 MWNT-PCMS/LC以及MWNT-PCMS-LC/LC三种复合材料。SEM观察显示,MWNTs在MWNTs/LC复合材料中存在团聚现象,分散性差;MWNT-PCMS和MWNT-PCMS-LC在复合材料中的分散性明显提高,与LC基体的相容性明显改善。TGA分析表明,液晶复合材料的耐热性能因碳管的加入得到提高,开始分解的温度和最大失重速率均得到提高。POM观察结果显示,LC基体中加入MWNTs、MWNT-PCMS以及MWNT-PCMS-LC后,其液晶性能基本不受影响。
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