中南民族大学张道洪教授团队《ACS Appl. Mater. Inter.》：在超支化聚合物改性碳纳米管薄膜领域取得新进展

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近日，中南民族大学张道洪教授课题组在《ACS Appl. Mater. Inter.》上发表题为“Simultaneous Improvement on Strength, Modulus, and Elongation of Carbon Nanotube Films Functionalized by Hyperbranched Polymers”的研究论文。中南民族大学硕士研究生段骞和汪双元为论文的共同第一作者，张道洪教授为唯一通讯作者，中南民族大学系第一作者单位，合作者包括澳大利亚CSIRO的Principal Scientist苗孟河博士和武汉工程大学的陈苏芳博士。

碳纳米管（CNT）由于其高韧性、高强度和高导电率等特性，广泛应用于柔性电极材料、导电薄膜、复合材料和智能纺织品等领域。然而，由于CNT之间较弱的相互作用，使得CNT薄膜仅具有部分本征性能。近年来，研究者们常利用有机溶剂、环氧树脂和机械滚压等物理改性方法以及强酸和电子辐射等化学改性方法来改善CNT薄膜的致密性、强度和导电性。然而有机溶剂、低浓度聚合物溶液浸渍和干燥后的CNT内部仍有明显界面，强酸改性将破坏CNT内部结构，CNT薄膜难于浸渍和均匀功能化等原因导致改性后的CNT薄膜各部分性能差别较大、数值离散性高，拉伸强度、模量和延伸率难于同时提高。

针对上述不能同时提高CNT薄膜强度、模量和延伸率的问题，在国家自然科学基金、湖北省自然科学基金创新群体和中央高校基础研究经费等项目资助下，团队通过详细分析和研究，具有条件温和、高效快速和可控反应特点的硫醇-烯烃点击反应化学改性CNT薄膜，不仅可以提高导电率、强度和模量，还有望均匀功能化CNT薄膜，提高薄膜性能稳定性和延伸率，以此为基础，团队利用端巯基超支化聚合物（THBP-n）通过硫醇-烯烃点击反应对原始碳纳米管（PCNT）薄膜进行功能化，然后对其进行机械轧制致密化得到超支化聚合物功能性CNT薄膜（HPCNT-n）。该方法制备的HPCNT-n不仅能够提高薄膜的强度和模量，还能够协同增加薄膜的延伸率（图1）。THBP-n的高巯基含量使CNT之间形成了高度交联的网络，提供了高效的载荷传递，提高了所得薄膜的拉伸强度和模量，同时还具有可压缩的超支化结构，促进CNT之间的变形和滑移，从而提高延伸率（图2）。这种协同增强CNT薄膜强度、模量和延伸率的方法为制备高强度CNT薄膜提供了一种新的策略，对CNT薄膜的规模化应用具有重要的学术价值和实际意义。

图1 PCNT、致密化碳纳米管（PRCNT）和HPCNT-6薄膜的性能（a.应力-应变曲线，b.拉伸强度和比强度）

图2 THBP-n协同增强CNT薄膜拉伸强度、模量和延伸率的机理示意图

该研究团队入选了湖北省自然科学创新群体，依托中南民族大学化学与材料科学学院、催化转化与能源材料化学教育部重点实验室和超支化聚合物合成与应用技术湖北省工程研究中心，长期从事超支化聚合物合成及应用领域研究，主持“超支化聚合物”领域的国家自然科学基金项目10项、省重大重点和企业委托项目30余项，获授权国家发明专利45件。创建武汉超支化树脂科技有限公司，实现超支化聚合物系列产品的产业化，建成年产千吨级超支化聚合物生产线。部分成果获湖北省科学技术发明奖一等奖、中国石油与化学工业联合会科学技术发明奖一等奖等荣誉。近几年课题组在超支化聚合物合成（Nature Sustainability, 2019, DOI: 10.1038/s41893-019-0444-6; Chem. Eng. J., 2018, 343: 283; Chem. Eng. J., 2018, 334:1371; Chem. Eng. J., 2020, 281, 122719: 1; Compos. Part B-Eng., 2019, 160: 615; Prog. Org. Coat., 2019, 127:157）和超支化聚合物应用（ACS Appl. Mater. Inter., 2019, 11, 39: 36278; Chem. Eng. J., 2019, 371: 145; Nanoscale, 2019, 11, 7188；ACS Appl. Mater. Inter., 2017, 9, 23: 19900; Appl. Surf. Sci., 2019, 486: 144-152）领域的代表性成果促进了相关领域快速健康发展。

文章信息：

Qian Duan#, Shuangyuan Wang#, Qiufan Wang, Ting Li, Sufang Chen, Menghe Miao, Daohong Zhang*. Simultaneous improvement on strength, modulus and elongation of carbon nanotube films functionalized by hyperbranched polymers, ACS Appl. Mater. Inter., 2019, 11(39): 36278-36285. DOI: 10.1021/acsami.9b12368.

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b12368

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