PEI表面修饰CNTs步骤及原理

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碳纳米管的端头是由碳的五元环和六元环组成的半球形 ,强氧化剂可将端头打开氧化成羧基 ,从而与其它的化学试剂反应。而在管壁上碳纳米管本身就含有一些缺陷位置 ,如图 1 所示 ,五元/七元环对位置缺陷 , $sp^3$杂化位置缺陷以及纳米管晶格空位缺陷。这些原生的缺陷点就很容易通过强酸对管壁的氧化破坏作用而留下空洞 ,从而连接功能基团

1. $O_3$和超声波处理氧化腐蚀CNTs，出现较多的 $-COOH$羧基官能团
2. PEI 是由氨基和甲基构成，通过与氧化后的CNTs交联聚合，增加其水溶性
3. PEI的水溶液成碱性，加入弱酸，在PH=8的溶液下，PEI的氨基( $-NH_2$)会吸收一个（ $H^+$）质子化为( $-NH{_3^+}$)，使得CNTs带正电位。
4. EPD电泳沉积，将CNTs沉积到阴极电极上

要自己做第一步的氧化是必不可少的，臭氧的原因是其氧化性强，同时也可以只用酸来腐蚀氧化，同时超声处理使得CNTs分散更均匀，氧化更充分。

PEI的作用： 一是增加在水中的溶解度， 二是通过PEI氨基官能团的质子化使得CNTs带正电

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臭氧和酸处理后的功能化MWCNTs的沉积场强为43V/cm,而，臭氧和PEI功能化的MWCNTs的场强为28V/cm
以下是处理步骤：

material and processing

1. 多壁碳纳米管(MTCNNs)(CM-95, Hanwha Nanotech, Korea) 使用超声波臭氧分解或酸处理来氧化。
   本实验采用超声波臭氧分解如图1，无水氧气以500ml/min的流速进入臭氧生成器(1000BT-12 from Taoture International), MWCNT的水溶液温度冷却至5度。使用碘滴定测量的方法，操作2h之后，臭氧浓度达到20mg/L[24], 蠕动泵(peristaltic pump, Model MU-D01 from Major Science, USA) 将MWCNT溶液泵到超声发生器单元（sonicator cell， 800B Flocell, Qsonica, USA）水浴温度也为5度，大功率超声处理((Sonicator 3000 from Misonix, USA)使用直径12.7mm的horn，工作在60W。超生处理时间为16h。
2. 臭氧处理后的MWCNTs也要与PEI混合(H(NHCH2CH2)58NH2, Mw: 25,000 Sigma–Aldrich, USA),PEI的浓度与MWCNTs相同。超声处理4h。
3. PEI和臭氧处理后的MWCNTs使用冰醋酸(Sigma–Aldrich)调节PH至6，酸处理需要6min的CNTs回流， 在体积比为1:3的 $HNO_3和H_2SO_4$溶液(Sigma Aldrich USA)中,在使用之前先用蒸馏水清洗，然后再超声处理16h，
4. [将c-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPS), (Sigma–Aldrich) 按重量0.5%加入到官能化的MWCNTs，然后超声处理4h。 这一步操作步骤可以不使用]
5. EPD 电泳沉积

使用的是这个装置：

• Anode 阳极
• cathode 阴极
• tensioner 拉紧器
• teflon spacer 聚四氟乙烯垫片
• galss fabric 玻璃纤维

该装置能使阳极、阴极和拉伸的纤维水平浸入275ml的CNT溶液中。阴极沉积的电场强度为12到64V/cm, 沉积时间为10-75min。覆盖区域为800 $mm^2$。如果双面涂覆，则将纤维反转。