碳纳米材料的功能化和分散使用环境友好的超声波臭氧分解过程

使用碳纳米材料改性聚合物和复合体系已经在过去20年中引起了浓厚的研究兴趣。最近关于使用碳纳米管¹ （CNTs）和石墨烯纳米片² （GNP）的综述提供了广泛的研究。 CNT和GNP的高比刚度和强度以及它们的高固有电导率使得材料理想地适合于结合到聚合体系中以增强纳米复合材料的机械和电性能。 CNT和GNP也被用于通过使用碳纳米材料来改变纤维界面粘合力和基体刚度^3,4等级来开发分级复合结构。

碳纳米材料均匀分散在聚合物体系中往往需要处理步骤，其化学改变纳米材料以改善与聚合物基质的化学相容性，去除杂质，并从所接收的材料中减少或去除附聚物。化学修饰碳纳米材料的各种方法是可用的，并且可以包括使用强酸5,6进行湿化学氧化，用表面活性剂改性⁷ ，电化学嵌入和剥离⁸或使用基于等离子体的方法的干法化学处理⁹ 。

在CNT的氧化步骤中使用强酸引入氧官能团并除去杂质。然而，它具有显着降低CNT长度，对CNT外壁造成损害并使用危险化学品的缺点，这些危险化学品需要与经处理的材料隔离以进一步处理^{10 <}/ SUP>。使用与超声波结合的表面活性剂提供了较不积极的制备稳定分散体的方法，但是表面活性剂通常难以从经处理的材料中除去，并且可能不与用于制备纳米复合材料材料1,11的聚合物相容。表面活性剂分子与CNT或GNP之间的化学相互作用的强度也可能不足以用于机械应用。在大气条件下进行的干等离子体处理工艺可能适用于存在于纤维或平面表面上的用于制备分层复合材料的CNT阵列的功能化。然而，大气等离子体更难应用于干燥粉末，并且不能解决存在于原始碳纳米材料中的附聚物的问题。

在目前的工作中，我们介绍了超声波的详细描述我们以前曾用于碳纳米材料^12,13,14的冰解臭氧分解（USO）方法。 USO工艺用于制备稳定的水分散体，其适用于将CNT和GNP两者电泳沉积（EPD）到碳和玻璃纤维上。将提供使用USO官能化的CNT将不均匀薄膜沉积到不锈钢和碳织物基底上的EPD的实例。还将使用X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱来提供用于化学表征官能化CNT和GNP的方法和典型结果。将提供与其他功能化技术相比较的表征结果的简要讨论。

工作健康安全通知书

暴露于纳米颗粒（如碳纳米管）对人体健康的影响尚不清楚。它建议采取特殊措施，尽量减少CNT粉末的暴露和避免环境污染。建议的危害隔离措施包括在配有HEPA过滤器的通风橱和/或手套箱内工作。职业卫生措施包括穿防护服和两层手套，并使用湿纸巾或带有HEPA过滤器的吸尘器定期清洁表面，以除去杂散CNT粉末。污染物品应装箱危险废物处理。

暴露于臭氧会刺激眼睛，肺部和呼吸系统，而在较高浓度下可能会导致肺部的损伤。建议采取措施尽可能减少对生成的臭氧气体的个人和环境影响。隔离措施包括在通风柜内工作。由于返回空气流将包含未使用的臭氧，因此应在通入臭氧破坏装置之前进入大气领域。已经臭氧气泡通过的分散体将含有一些溶解的臭氧。在臭氧分解操作后，允许分散体静置1小时，然后进行进一步处理，以使臭氧进行自然分解。