基本信息
- 项目名称：
- 木质素包覆碳纳米管的制备及其在ABS中的分散
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文利用木质素，通过超声分散等物理方法，成功包覆了碳纳米管，使其功能化。此方法克服了碳纳米管之间较强的范德华力，阻止其发生团聚，实现其在基体中的均匀分散，由此使得碳纳米管的纳米增强效应凸显。
- 详细介绍：
- 从国内外对碳纳米管增强基体高聚物的研究中发现，要有效实现碳纳米管的纳米增强效应，必须使得碳纳米管均匀分散在基体树脂中。而纯的碳纳米管由于自身的缠绕以及较强的范德华力使其发生团聚，难以均匀分散在基体树脂中。因此必须对碳纳米管的表面做适当的修饰。而木质素作为制浆造纸工业的副产物，其在工业中的使用率并不高，并造成了一定的环境污染。于是，我们试图利用木质素表面非共价修饰碳纳米管，并将制得的功能化的碳纳米管用于ABS的增强。由于木质素在结构上和碳纳米管、ABS存在相似性，它成功的充当了二者的界面改性剂，添加了功能化的碳纳米管赋予了ABS以更优异的力学性能。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 撰写目的：本作品源于对木质素、碳纳米管的结构研究，通过超声波处理得出一条非共价修饰碳纳米管的新方法；基本思路：针对目前工业木质素的使用率不高，且造成环境污染的问题，本研究首先将其包覆碳纳米管，然后用功能化碳纳米管增强ABS树脂。
科学性、先进性及独特之处
- 由于木质素与碳纳米管和ABS之间较强的界面相互作用，本作品创新地采用木质素修饰包覆碳纳米管并用于ABS树脂的增强研究，得到一条工业木质素综合利用的新途径。
应用价值和现实意义
- 扩大工业木质素的应用范围、提供其实用价值；探索出了一条木质素综合利用的新思路；探索出了制备一种高性能纳米复合材料的新途径。这对我国经济的的可持续发展具有重要的科学价值和社会意义。
学术论文摘要
- 本文采用工业碱木素成功包覆碳纳米管(CNTs)，用透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)观察表明, CNTs的表面被木质素所涂膜，功能化的碳纳米管直径明显增大，该结果也被拉曼光谱所证实。SEM分析表明，相对于纯CNTs，被木质素包覆的碳纳米管(lignin-w-CNTs)能更为均匀地分散在ABS基体中。另外，相对于纯CNTs和木质素，在添加量仅为1wt%时，lignin-w-CNTs使得ABS的拉伸强度提高地最为明显，约为7.04wt%，同时CNTs和lignin-w-CNTs均使得ABS的杨氏模量得到极大的提高，均约为43.2wt%。
获奖情况
- 由本研究所著英文学术论文《Fabrication of lignin-wrapped carbon nanotubes and its dispersion in ABS resin》已于2011年2月20日在2011年应用化学工程国际学术会议（ICACE2011,中国香港）论文集上出版,所有录用的论文将被EI和ISTP检索。
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 蒋挺大. 木质素. 北京：化学工业出版社，2001. [2] 杨淑智. 植物纤维化学. 北京：中国轻工业出版社，2001. [3] L. Vescovo, M. Sangermano, R. Scarazzini, G. Kortaberria, and I. Mondragon, “In-situ-Synthetized Silver/Epoxy Nanocomposites: Electrical Characterization by Means of Dielectric Spectroscopy,” Macromolecular Chemistry and Physics, Vol. 211, no. 17, pp. 1933-1939, September 2010. [4] 孙晓刚. 碳纳米管的特性及应用. 中国粉体技术，2001，7：29-33 [5] A. M. K. Esawi, K. Morsi, A. Sayed, M. Tahera, and S. Lanka, “Effect of carbon nanotube (CNT) content on the mechanical properties of CNT-reinforced aluminium composites,” Composites Science and Technology, Vol. 70, no. 16, pp. 2237-2241, December 2010. [6] W. S. Bacsa, D. Ugarte, A. Chatelain, and W. A. Deheer, “High-Resolution Electron-Microscopy and Inelastic Light-Scattering of Purified Multishelled Carbon Nanotubes,” Physical Review B, Vol. 50, no. 20, pp. 15473-15476, November 1994. [7] 张树霖. 拉曼光谱学与低维纳米半导体. 北京：科学出版社. 2008
同类课题研究水平概述
- 木质素的储量在自然界中仅次于纤维素，每年以500亿吨左右的速度再生，尤其是在纸浆造纸工业中，每年要从植物中分离出1.4亿吨的纤维素，同时得到5000万吨左右的木质素副产品，其中主要是碱木质素和木质素磺酸盐。深入开发工业木质素尤其是碱木素的应用是多年来人们一直所关注的问题，也是我国科学发展的一个重要研究课题。拓展木质素的开发利用，不但可以变废为宝，更是可以从根本上解决造纸业对环境污染的可行办法。但迄今为止，超过95%的分离木质素的回收，就是浓缩后被当成燃料被烧掉，造成极大的资源浪费。因此，无论从综合治理造纸工业水污染，还是节省石油、天然气等不可再生资源方面考虑，都使木质素的综合利用研究成为世界各国特别是发达国家的一个热点课题。 由于工业木质素是一种储量大，价格低廉、且可生物降解的生物质高分子材料，被认为是一种很有潜力的高分子共混物的填料。但迄今仍然只有一少部分木质素被充分利用。最近，Liu 等人发现一个有趣的现象，木质素可以用作碳纳米管或石墨烯的分散剂或稳定剂。 近年来，由于极高的弹性模量（1.0TPa）和强度（~200MPa），碳纳米管（carbon nanotubes）作为一种纳米增强填料得到了广泛的关注，其在较低的添加量时，即可使高分子材料的强度得到极大的提高。然而，由于碳纳米管自身的缠绕及很强的范德华力使其在聚合物基体中难以均匀分散，致使其纳米增强效应难以得到体现。 ABS树脂是一种性能优异、应用广泛的热塑性工程塑料，具有力学性能优异，耐化学腐蚀，易加工可回收等优点。考虑到木质素分子中含有芳环结构和极性的羟基及醚键，而ABS分子中也含有苯环和极性的腈基，因此，ABS理应与木质素具有很好的相容性。研究发现木质素可以以纳米尺寸分散在ABS基体中，且可使ABS的力学性能得到一定提高。 综上所述，既然木质素可以作为碳纳米管的分散剂，且与ABS具有良好的界面相容性，因此，我们设想，可否先用碱木素对碳纳米管进行表面修饰，然后将其用于ABS树脂的增强。一方面，木质素的表面修饰使得碳纳米管不会团聚，从而更容易在ABS基体中得到均匀分散，进而可有效增强ABS树脂；另一方面，碱木素也可使ABS具有一定的生物降解性，并拓展了碱木质素的使用价值。 基于上述考虑，我们开展该项工作，并取得了预期的结果。
