多壁碳纳米管在球形胶束上的层层自组装(一)_自动化专业毕业论文范文
发布时间：2014-12-19
来源：人大经济论坛
多壁碳纳米管在球形胶束上的层层自组装(一)_自动化专业毕业论文范文
多壁碳纳米管可在很多类型的胶束模板上自组装，运用众所周知的聚电解质层层自组装技术。密集的单层和多层碳纳米管可成功地在不同尺寸的硅、聚苯乙烯和三聚氰胺的球状胶粒上沉积，同时，表明较短的碳纳米管可全部在球的表面缠绕，而较长的碳纳米管伸出球的表面，同时与很多球接触。脱除胶束模板，可形成空心的碳纳米管球。用盐酸处理三聚氰胺碳纳米管颗粒可证明这一点。胶束模版的脱除可在有序排列的聚苯乙烯颗粒上进行，进而形成纳米结构、可导电的碳纳米管聚集体。用超声波破坏积聚体表明自组装可以只发生在半个胶束球体上，因此比较容易得到带有不对称功能性的“两半”颗粒。
引言
自从富勒烯和碳纳米管的发现以来，由于它们具有独特的由结构决定的电学性能和机械性能，碳结构已成为广泛研究的对象 。最近几年，科研工作者已花费很大的力量制备不同形貌的碳并开发它们在复合材料、电化学元件、场发射元件、纳米尺度的电子元件和感应器等诸多领域的应用。但是，碳纳米管功能化的方法以及处理和自组装方法的限制成为追求这些潜在应用的重大障碍，也是由于这个原因，碳纳米管的自组装和有序排列有待新的发展。
特别是，高品质的、均一的薄膜的制备是在宏观范围内研究它们的光学，光电和电学性能的一个基本的先决条件。有关碳纳米管薄片制备的报道很多：包括把碳纳米管分散液喷涂在基体上、拉伸聚合物薄片时加入碳纳米管、表面活性剂分散的碳纳米管或是化学处理的碳纳米管衍生物在水中的伸展以致单层沉积、光电沉积、Langmuir-Blodge沉积以及层层自组装。
由于层层自组装在包装、电子设备、传感器和药物缓释等方面具有巨大的潜在应用，所以备受关注。聚合电解质是层层自组装第一个也是最多的研究例子。但是，其他的带电化合物例如核酸、蛋白质、多化合价的金属离子、离子染体、纳米颗粒甚至病毒也可以形成层层自组装的结构。用这种方法不但制备出薄膜而且制备出大小和成分搭配合理的核壳结构颗粒——用核做模版在其上多层组装，接着移除核可以得到聚合物、无机或者有机无机杂化的中空胶囊。这些复合颗粒和中空的胶囊越来越引起广泛关注在材料科学、催化反应、药剂学和医学等很多领域。除少数例外，多层结构的厚度与层数成线性关系增加，这样就能精确地控制薄膜的厚度和性质。这些性能，连同不同的生物分子与聚合物可能的共价作用或者是静电作用一起，致使层层自组装聚电结构，可以作为纳米元件制造的基石而受到关注。
Kotov和其同事最近报道说运用层层自组装技术碳纳米管可在带电表面，形成超大的、直立的薄膜。本文报道，层层自组装技术同样被运用到多壁碳纳米管在诸如聚苯乙烯，三聚氰胺和硅各种不同的的球状胶体上组装，形成致密的单层或多层碳纳米管。这种体系为碳纳米管的组装的新方法提供了很多的可能性，因此可制备出更复杂的结构。我们介绍了一种制备导电性胶囊的方法——碳纳米管壳层在三聚氰胺颗粒上沉积之后除去有机核。碳纳米管在有序排列的六边形聚苯乙烯颗粒上自组装也显示了初步的结果，这为仅一半被碳纳米管包裹的胶束球的制备提供了可行性。
实验部分
聚二甲基二丙烯氯化铵（PDDA），重均分子量小于500000Da，和聚（4-乙烯基苯磺酸钠）（PSS），重均分子量70000Da从Aldrich购得；氯化钠从Merck购得；整个实验室中的水是由一个三阶段微孔过滤器正185电阻系数高于18.2兆姆厘米的净化系统制得；多壁碳纳米管（增强型等离子体的化学气相沉积法合成）由Nanolab(Boston,MA)友情提供；聚苯乙烯和三聚氰胺胶体颗粒从Microparticles GnbH.Berlin购得；二氧化硅纳米颗粒（平均直径为200纳米至450纳米）由著名的stober方法合成并经过离心浓缩。
碳纳米管按以下的步骤进行氧化：1）将10mg碳纳米管放入10ml以3：1的比例混合的硫酸和硝酸的混合液中用超声波分散两个小时;2)样品先用稀的氢氧化钠溶液清洗再用水洗三次通过几个离心/分散循环；3）最后，多壁碳纳米管分散在水中，得到稳定的氧化的多壁碳纳米管的分散液，其璧上带有羧基基团，因而表面带有负电荷。以前的文章已利用X射线光电子能谱分析表明氧化的单壁碳纳米管的含氧量在9%和14%之间原子百分含量。
聚电解质涂覆的聚苯乙烯颗粒的制备如下：将稀的50μL的聚苯乙烯球（质量比为3%）的悬浮液加水稀释至1ml，再加入1mlＰＤＤＡ溶液（1mg/ml，含0.5M NaCl）等待20分钟吸附PDDA，再通过三次重复的离心/洗涤除去多余的PDDA，颗粒的大小决定离心速度，直径为1um的球需要的转速为2500转/分，时间为十分钟。聚（4-乙烯基苯磺酸钠）(PSS)沉积在涂覆的聚苯乙烯颗粒表面通过相似的方式和相同的条件，再加上PDDA层，形成最外层。
CNT/PDDA涂层可按照以下的方法在聚苯乙烯球上沉积：将15μl附着聚二甲基二丙烯氯化胺/聚（4-乙烯基苯磺酸钠）/聚二甲基二丙烯氯化胺的聚苯乙烯颗粒（质量分数为2%）在4ml 0.2M NaCl溶液中分散，然后往溶液中加入4ml CNT分散液(0.5mg/ml),让其吸附30分钟后经过五次重复的离心/洗涤循环除去多余的碳纳米管，转速为800转/分，离心时间为十分钟。PDDA（1mg/ml溶液中含0.5M NaCl，吸附时间为30分钟）随后沉积上，1200转/分，十分钟离心后过剩的部分从上层除去。另外，CNT/PDDA多层外壳也是按上述步骤沉积的。
同样的工序可用于在二氧化硅颗粒上沉积（（PDDA/PSS/PDDA）-coated SiO2）也可用于在三聚氰胺颗粒上沉积（（PSS/PDDA）-coated MF）但避免了PDDA聚合物第一层由于MF颗粒表面带有正电荷。
中空的胶囊是把0.5ml涂抹了3（PDDA/CNT）双分子层的三聚氰胺球浸入到1ml pH为1的盐酸溶液中浸泡20分钟而制得的。为了保证完全将核除去，上述的酸化过程/洗涤需要重复二次。接着将中空的胶囊经过转速为12000转/分，时间为十分钟的离心和再分散在纯水中。
为了制备0.5×1 c㎡单层的六边形有序聚苯乙烯球，将硅基体放入以1：1：5的比例混合的7%的氨水，30%的双氧水和纯水的混合液中清洗60分钟在80℃下，用去离子水冲洗后在氩气流中干燥。聚苯乙烯球（980nm）作为受体（10%的水溶液），用等量的酒精将颗粒悬浮液稀释。酒精/水的聚苯乙烯溶液在直径为15cm的表面皿中慢慢地沉积在纯水的表面，用一个玻璃吸管以便单层颗粒膜形成。部分表面没有被覆盖是为了避免晶格中的裂缝的形成在随后制备步骤期间。最后，单层颗粒通过缓慢的水蒸发沉积在底层。
制得的模板（0.5×1 c㎡单层六边形有序聚苯乙烯球）基本上按照上述描述的方法用多璧碳纳米管涂覆。单层基体先放入PDDA（质量比为1%，含0.5M NaCl）溶液中2个小时，再用纯水洗五次（20分钟一次）后，用同样的条件，PSS（1 mg/ml， 0.5 M Nacl）沉积，紧加上一层PDDA层用相同的条件。之后将模板放入多壁碳纳米管分散液（0.5mg/ml，0.1M N
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