碳纳米管又称巴基纸,自从1991年被日本物理学家饭岛澄男发现以来,引起人们的广泛关注。碳纳米管直径一般为2~20nm,根据石墨烯的层数可以分为Sing-walled　nano-tubes(SWNTs)和Multi-walled　nanotubes(MWNTs)。碳纳米管以其良好的力学性能和优异的导电性,在复合材料、传感器以及太阳能电池领域都有广泛的应用。尤其是碳纳米管独特的中空结构非常有利于染料敏化剂的吸附。但是由于碳纳米管分子之间存在较强的π-π双键结合力,团聚现象严重,自身溶解性能不好,并且在有机溶剂中的分散性能较差,对其应用有一定的限制,所以需要对碳纳米管进行功能化处理。

目前,碳纳米管功能化处理常见的方法有混酸处理、微波法和等离子体刻蚀。通过改性,不仅可以提高碳纳米管在有机溶液中的分散性能,而且可以提高碳纳米管表面活性,促进其与其他复合物发生反应。常见的混酸处理方法采用具有强氧化性的酸,比如HNO3、H2SO4,通过在碳纳米管表面添加羟基、羧基等含氧官能团来达到改性的目的。

但是这种方法产生的废液会对环境造成污染,用时较长,并且会对碳纳米管本身结构造成损伤。相对于传统的混酸处理方法,等离子处理技术不仅具有环保,节能和节约时间等优点,而且还可以选择不同的气氛,在碳纳米管表面添加不同种类的官能团,以达到改善性能的目的。

氧等离子处理对碳纳米管分散性的影响

将10mg经处理后的改性碳纳米管分别至于20mL的DMF溶液中,超声震荡1h,然后静置1h。图1反应的是氧等离子技术处理后的碳纳米管在DMF溶液中的分散情况,从左向右试管分别装有处理时间为0、5、10、15、20min的碳纳米管分散液。由图1可以看出,未经氧等离子处理的碳纳米管悬浮液出现明显的分层,分散效果不好。处理5min和10min之后的碳纳米管分散性能得到明显的改善,当处理时间为15min和20min时,改性的碳纳米管在DMF溶液中分散良好。这是因为未处理的碳纳米管分子之间存在较强的范德华力,团聚现象严重,而氧等离子处理减弱了这种作用力。另外,氧等离子技术会在碳纳米管表面接枝含氧官能团,有效改善其在有机溶剂中的分散性能。图2为处理15min的碳纳米管SEM谱图。由图可知,碳纳米管直径均匀,很少出现团聚现象,这进一步说明氧等离子技术对碳纳米管改性成功,并且没有对碳纳米管基体造成伤害。

氧等离子处理可以有效提高碳纳米管的表面活性,它以加速电子或者离子的形式给碳纳米管施加能量,使其表面活化增强,产生自由基。碳纳米管进一步与通入的氧气发生反应,生成含氧官能团，从而改善其在有机溶剂中的分散性能。