奈米碳管几丁聚醣掺合薄膜-eportfolio.lib.ksu.doc

奈米碳管/幾丁聚醣混摻薄膜之製備及其性質研究黃國賢、王文鴻、黃柏齊、洪健鐘 崑山科技大學高分子材料系 hks45421@ms42.hinet.net 摘要：本實驗採用混合酸 (硫酸:硝酸 = 3:1) 對多壁奈米碳管進行純化，然後以陽離子界面活性劑十六烷基三甲基溴化胺 (HTAB) 對奈米碳管進行改質，再將改質後奈米碳管與幾丁聚醣混摻，製備不同比例之混摻薄膜，研究此混摻薄膜之熱性質與機械性質。實驗結果表明，通過混合酸處理能夠使奈米碳管表面擁有較多的羥基 (-OH) 和羧基 (-COOH) ，且純化 40min 可以極大地增加奈米碳管的比表面積，但過度的氧化時間反而會使比表面積降低。以 HTAB 對奈米碳管改質，可以有效的提升奈米碳管在親水性溶液中的分散性。奈米碳管改質後不僅提高在溶液中的分散性，且可以在碳管表面加上官能基。TGA 圖形顯示混摻薄膜明顯的比純幾丁聚醣具有較佳熱安定性。DMA 結果顯示，混摻膜之機械強度隨接枝奈米碳管比例增加而提高。由 SEM 觀察混摻膜表面之微結構，可發現改質後奈米碳管於幾丁聚醣混摻薄膜均勻分散。吸水測試結果顯示接枝奈米碳管的加入降低了幾丁聚醣的吸水性質並加強薄膜結構穩定性。 關鍵字：奈米碳管、改質、幾丁聚醣。 一、前言 奈米碳管自從1991年被發現以來，一直受到化學、物理及材料科學領域研究者的青睞。但由於奈米碳管極易團聚，在使用時不容易分散成為實際應用的瓶頸。對奈米碳管進行表面化學改質，改善其表面性能是打開此瓶頸的有效途徑[ -4 ]。化學改質法是使奈米碳管與改質劑之間進行化學反應，改變奈米碳管的表面結構和狀態從而達到改質的目的。然而由於初製之奈米碳管本身含有許多的雜質，例如金屬催化劑顆粒以及一些無定型碳、石墨碎片等，這些雜質的存在會影響到奈米碳管之品質，因此於改質前必須經過純化處理。根據文獻得知，一般純化的方法有下列三種：(1) 酸處理法， (2) 以硫酸與雙氧水氧化的方法來引入羧基， (3) 層析法是將奈米碳管與不純物利用超音波震盪分散於界面活性劑中，在導流入層析管柱中，依時間不同可以得到不同長度之碳管，此方法之優點能分離出獨立之碳管，但缺點是操作耗時且產量稀少[ -7 ]。 奈米碳管獨特的結構決定了其特殊的性質和用途，由於其優良的力學、電學、光學、熱學等性能[ -14 ]。在電子器件、複合材料、化學和生物感測器等方面顯示出良好的應用前景。但由於奈米碳管難溶於有機溶劑及水，對其化學性質的研究難以深入進行，因此目前國內外科學家對奈米碳管的可溶性問題已進行了大量的探索。最常用的方法是透過在奈米碳管的側壁或頂端進行化學改質以增加其溶解性[ -25 ]。而一般常用的改質劑可分為界面活性劑與偶聯劑兩大類，界面活性劑為活躍於表面和界面上具有極高的降低表面、界面張力的能力和效率的一類物質；其在一定濃度以上的溶液中能形成分子有序組合體，從而具有一系列應用功能，。偶聯劑是一種分子中含有二種不同化學性質基團的有機化合物，在分子的兩端分別為親有機基團及親無機基團，使得有機物和無機物能透過偶聯劑而相結合，一般常用的偶聯劑有鈦酸酯偶聯劑和矽烷偶聯劑，而本實驗主要以陽離子界面活性劑及矽烷偶聯劑來對奈米碳管作改質。 幾丁質（Chitin）是自然界中儲存量僅次於纖維素的物質，普遍存在於蝦蟹類、昆蟲外殼及真菌類的細胞壁中，將幾丁質經由鹼去乙醯化處理後可得幾丁聚醣（Chitosan），幾丁聚醣是一種直鏈多醣體聚合物，由單體N-乙醯葡萄胺醣（N-acetyl-D-glucosamune），以β-1,4 鍵結所形成，其分子鏈上包含高反應性的胺基團（-NH2）且具有良好的生物相容性，使它在生醫材料、食品、廢水處理等方面具有廣泛的運用；但由於支鏈上的-OH 或胺基會造成分子間或分子內氫鍵，導致微細結晶區域產生，不易溶於有機溶劑或中性水溶液，造成加工上的不便[ ]。為了改善幾丁聚醣易脆、缺乏韌性等特性，可以利用乾燥程序之變化、物理混摻及化學接枝等不同之方式，製成具有較佳機械性質之幾丁聚醣相關產物，增加其應用性質[-28 ]，本研究利用奈米碳管之高機械強度以化學改質的方式改善奈米碳管在親水性溶液中的分散性，再利用溶液混摻法，將改質後之奈米碳管與幾丁聚醣混摻製成薄膜。藉由改質後之奈米碳管可均勻的分散在幾丁聚醣基材內，且建立各成份幾丁聚醣混摻膜機械強度及吸水性質之變化量與接枝後奈米碳管添加量之關係，並且利用 SEM，觀察不同比例之接枝奈米碳管於幾丁聚醣混摻薄膜中的分散情形。 二、實驗方法 2-1試藥 1.多壁奈米碳管(Multi-Wall Carbon nanotubes，95％，MWCNTs)，平均粒徑 10~40nm，東成昌股份有限公司。 2.硫酸(Sulfuric Acid，69~71%)，試藥級，NIHON SHIYAKU REA