碳纳米管多级化学修饰策略：从氧化还原到硅烷偶联的分散性优化研究

针对碳纳米管(CNTs)在纳米复合材料中易团聚的难题，研究人员通过酸氧化(8?h)、NaBH4还原(5?h)和硅烷偶联剂(SCA,5?wt%)接枝的三步修饰策略，显著提升了CNTs在极性溶剂中的分散稳定性。XPS、FTIR等表征证实该方法在保留CNT结构完整性的同时，通过调控表面极性、静电排斥和空间位阻实现了最优分散，为聚合物纳米复合材料界面优化提供了新思路。

　　

碳纳米管(CNTs)因其独特的力学、电学和热学性能被誉为"终极纳米材料"，但在实际应用中却面临着一个"顽固痛点"——这些直径仅纳米级、长度微米级的管状结构会像纠缠的意大利面一样紧密团聚。这种由范德华力和高长径比驱动的团聚现象，严重限制了CNTs在聚合物纳米复合材料、功能涂层等领域的应用潜力。如何在不破坏其本征性能的前提下实现稳定分散，成为材料科学家们亟待解决的"卡脖子"难题。

山东大学等机构的研究团队在《Applied Surface Science》发表的研究中，创新性地提出"三步走"化学修饰策略：首先通过HNO₃/H₂SO₄混合酸氧化在CNT表面"雕刻"含氧官能团，再用NaBH₄将部分"过犹不及"的羧基(-COOH)还原为更活泼的羟基(-CH₂OH)，最后通过3-氨丙基三甲氧基硅烷(KH-540)嫁接构建空间位阻屏障。这种层层递进的表面工程，犹如为CNTs量身定制了一件"智能外衣"，使其在极性溶剂中展现出卓越的分散稳定性。

研究团队运用X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)精准捕捉到表面化学变化：8小时氧化使氧原子含量提升3.2倍，而5小时还原则巧妙地将C=O键转化率提高至68%。热重分析(TGA)显示5wt%硅烷偶联剂(SCA)接枝量达到单分子层覆盖阈值，接触角测试证实修饰后CNTs表面能提升达42%。通过zeta电位和沉降实验证实，优化处理的CNTs在DMF中可稳定分散超过240小时，其机理被归结为"三重防护"——增强的极性相互作用、负电荷静电排斥和硅烷长链的空间位阻。

在"材料与方法"部分，研究主要采用以下关键技术：1) 通过XPS和FTIR定量分析表面官能团演化；2) 拉曼光谱评估缺陷程度(ID/IG比)；3) 热重分析测定SCA接枝量；4) SEM观察分散形貌；5) 接触角测量和zeta电位分析分散稳定性。所有实验均采用山东大展纳米材料公司提供的GT-220型多壁碳纳米管(MWCNTs)为原料。

【Effect of acid oxidation time】章节揭示：氧化时间与缺陷形成呈非线性关系。当氧化超过8小时，拉曼ID/IG比从0.89骤增至1.24，表明sp²碳网络开始断裂。XPS拟合显示，适度氧化(8h)可使羧基含量达到7.3at%，而过度氧化(12h)会导致管壁穿孔。

【Reduction treatment optimization】部分证实：NaBH₄还原能选择性转化羧基为羟基，5小时处理使-OH含量提升至4.8at%，同时恢复部分导电性(电阻率降低37%)。这种"精准修复"为后续硅烷化提供了理想反应位点。

【SCA grafting concentration】研究表明：SCA浓度低于3wt%时呈现岛状接枝，5wt%时形成连续单层(增重12.3%)，超过7wt%则引发多层堆积。分子动力学模拟显示，最佳接枝密度下硅烷链可形成2.1nm厚度的立体屏障。

结论部分强调：该研究建立了"氧化-还原-硅烷化"的黄金参数组合(8h-5h-5wt%)，使CNTs获得"三位一体"的分散机制。修饰后的CNTs在环氧树脂复合材料中展现出86.8%的界面剪切强度提升，这归功于硅烷氨基与树脂环氧基的共价键合。这种可控表面工程策略不仅适用于CNTs，还可拓展至石墨烯、纳米纤维素等低维材料的界面优化，为开发高性能纳米复合材料提供了普适性方案。

值得注意的是，Huanhuan Wang等作者特别指出：通过缺陷簇分布分析发现，氧化损伤并非随机分布而是呈现"雪崩效应"，这为理解CNTs降解机制提供了新视角。研究获得国家自然科学基金(52176076)和山东省泰山学者项目(ts20190937)支持，相关技术已申请发明专利。