聚多巴胺改性碳纳米管的研究
摘要：本课题以聚多巴胺对碳纳米管的比表面积影响为主题，综述当前碳纳米管表面改性的基本方法和相应的原理，介绍多巴胺的结构特点及其应用状况，介绍多巴胺的自聚过程及其对碳纳米管的改性方法、表征方法及主要的改性结果。基于当前的进展状况，研究多巴胺及其聚合过程对碳纳米管的比表面积的影响效果与规律。
关键词：聚多巴胺；比表面积；自聚合；表征
1文献综述
1.1碳纳米管
碳纳米管 (carbon nanotubes, CNTs) 是在 1991年发现的一种新型材料, 其独特的纳米中空管结构使它具有广泛的潜在应用, 如催化剂模板, 量子导线和超级纤维,所以从其一发现就引起了各界人士的广泛关注[1]。 到目前为止, 人们已经找到了许多可以制备CNTs的方法, 如电弧放电法、激光石墨法和碳氢化合物催化列解法.。但所有的这些方法所制备的 CNTs 都有一个共同的弱点, 就是 CNTs 的比表面积不是很大, 特别是多壁碳纳米管, 一般只有200 m2.g-1 这样就严重影响了CNTs在气体吸附材料。碳纳米管由于其髙比表面积和表面自由能，纳米颗粒之间十分容易发生团聚，分散不均匀，限制了其广泛的应用，因此碳管的功能化改性就成了其研究范畴内一个重要难题。一般采用共价键、非共价键和管内的填充等改性方法。
碳纳米管自被发现以来，就因独特的物理化学性质而受到广泛的关注，在电学、光学和功能复合材料领域都有极大的应用前景。但是碳纳米管本身具有高度离域化的pi;键和极大的长径比，在溶剂中极易发生团聚和缠结，这大大限制了碳纳米管的应用[2]。多巴胺（3，4-二羟基-苯丙氨酸）是一种环境友好型的生物分子，含有邻苯二酚官能团，在碱性有氧的条件下能够发生自聚合，粘附在任何基材上，且不改变基材的固有性质。聚多巴胺层上具有活性官能基团，能够作为二级反应平台，引入其他功能性高分子，从而对材料进行进一步的修饰。
碳纳米管（图1）可以看作是由一层或数层石墨平面层卷曲而成的同轴管状分子。其管身一般是由碳原子构成的六边形网格结构组成，且六边形网格结构会呈现一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构[3]。碳纳米管的碳原子构型以 sp2杂化为主，间或出现sp3杂化键，即形成的化学键会同时具有sp2和sp3混合杂化状态，而这些p轨道在片层外彼此交叠，逐渐形成高度离域化的大pi;键。这也使得碳纳米管能够与其他大分子发生共轭反应，进而以非共价键的形式结合起来。根据组成 CNTs的石墨烯的层数不同，可将其分为两种：单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes，SWCNTs）和多壁碳纳米（multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs）。单壁碳纳米管的直径通常在 0.6-2 nm 之间，且表面构成简单，具有较高的化学惰性，而多壁碳纳米管的直径可由几纳米至几百纳米，且随着层数的增加，层与层之间缺陷增多，表面的化学结构也趋向复杂化，化学反应性也随之增强。因此，在对碳纳米管进行改性时通常使用多壁碳纳米管。独特的结构使得碳纳米管具备了很多优异的性质。碳纳米管具有良好的力学性能，展现出高的抗拉能力和弹性模量。在密度相对较小时，其抗拉强度可达到 200 GPa，而对于拥有理想结构的单壁碳纳米管，其抗拉强度最高可达到 800 GPa，弹性模量与金刚石相似，可高达 1 TPa[4]。目前的生物医用材料多为有机高分子材料，其优点为生物相容性良好，但缺点也很明显，通常机械性能差，无法满足医用材料的要求。若利用一定的技术将传统医用高分子材料作为基体，与碳纳米管复合制备新的材料，可使复合材料在拥有原来高分子材料优点的同时，表现出良好的力学性能，使复合材料的性能得到极大的改善[5]。
图1 碳纳米管结构示意图
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