聚合物基碳纳米管复合材料地制备及其生物相容性研究

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1、http://www.paper.edu.cn聚合物基碳纳米管复合材料的制备及其生物相容性1研究11,2马悠琴，陈红1武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉（430070）2武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉（430070）E-mail：hongchen@hotmail.com摘要：本文概述了聚合物基碳纳米管复合材料的制备方法及其性能研究，重点介绍这种新型复合材料的生物相容性的研究进展，并对该领域今后的研究方向和发展前景进行了展望。关键词：聚合物，碳纳米管，复合材料，生物相容性中图分类号：R318.081．引言聚合物/碳纳米管复合材料(Polymer/CarbonNan

2、otubescomposites，P/C复合物)近来引起了国内外研究者的广泛关注和极大兴趣，除了优异的力学性能和电磁功能之外，这类新型[1][2][3]纳米复合物在生物传感器、体内微电子仪器、药物控释体系等方面都有潜在的应用前景。碳纳米管(CNTs)按结构可分为单壁碳纳米管(SWNTs)和多壁碳纳米管(MWNTs)，它们[4]分别是由单层或多层石墨绕中心轴按一定角度卷曲而成的无缝纳米管。早期人们利用炭黑、粘土、二氧化硅等纳米级填料改性聚合物，这些增强剂没有一种能像CNTs一样集高强度、低密度、电导性和热传导性于一身。如何用简易的方法，尽量保留CNTs的特性、开发出性能卓越的多功能

3、聚合物基碳纳米管复合材料，一直是高分子复合材料领域的研究热点，已有综述对该方面的研究进展进行了介绍。本文侧重于生物医用P/C复合材料的研究动态的介绍。P/C复合材料在生物医用材料领域的应用首先必须考虑新型纳米复合材料能否满足生物体内苛刻的环境、是否具有生物相容性，及是否存在纳米材料生物安全性等问题。本文简要介绍了聚合物基碳纳米管复合材料的制备方法、所得P/C复合材料的综合性能，并进一步评述了近年来P/C复合材料生物相容性的研究进展和应用前景。2．聚合物基碳纳米管复合材料的制备及性能[5]1994年Ajayan等用共混法制备出环氧树脂/碳纳米管复合物，并发现CNTs在材料中能够形成

4、取向排列；此后十几年来发展了不少P/C复合物制备方法。P/C复合物的性能取决于CNTs的直径、长度、在聚合物基体中的分散状况和取向度；目前多采用将CNTs分散在聚合物基体中的物理共混法、使CNTs和聚合物间形成化学键合的化学方法及其他新型工艺来制备聚合物基碳纳米管复合材料。表1对比了2000-2003年间以具有代表性的方法制备聚合物基碳纳米管复合物的机械性能：Y代表复合物的杨氏模量，σ代表材料的力学强度，Vf为CNTs在复合物中的体积百[6]分比。1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20060497011）的资助。-1-http://www.paper.edu.

5、cn[6]表1.采用不同方法制备出的P/C复合材料力学性能对比Table1.SummaryandcomparisonofreinforcementofSWNTandMWNTcompositesfabricatedbyvarious[6]methodsdY/dVf的最大值[GPa]dY/dVf的Y的σ的平均值[GPa]最大值[GPa]最大值[GPa]SWNTsMWNTs溶液共混30911212447348熔融共混2368644.580原位聚合4309601501674200数据表明：原位聚合法能够有效利用碳纳米管优点、使聚合物性能大幅提高。下文分述了P/C复合物的主要制备方法及其对

6、复合物性能的影响。2.1物理共混最初人们采用传统物理共混法在聚合物中添加入CNTs以提高聚合物的力学性能。物理共混法主要分为溶液共混法和熔融共混法。溶液法一般选用既能和CNTs形成均匀悬浊液、又能溶解聚合物的溶剂作为介质，借助机械搅拌或超声分散等方法促使CNTs和聚合物在溶剂中良好混合。熔融共混是将聚合物加热到熔融状态，利用机械搅拌、挤压成型等方法实现[7]碳纳米管在聚合物中的分散。Chen等用两步熔融共混的方法制备PC/MWNTs复合物：先将聚碳酸酯(PC)粒料和15wt.%的MWNTs加入双螺杆挤出机加热共混一段时间，再根据需要按配比追加PC粒料进行混炼。熔融共混的工艺虽然简

7、单且便于工业化，但分散不够均匀、挤[8]出成型过程中CNTs的断裂等都会削弱CNTs的补强作用和电导功能。Zhao等用动态保压注射成型技术制备聚丙烯/碳纳米管复合材料(PP/MWNTs)，在传统注射成型技术的基础上优化了复合材料的制备工艺。PP链段和MWNTs都沿剪切流动方向高度取向排列，不但增强了材料的杨氏模量、抗拉强度，而且仅加入少量的MWNTs(0.1-0.3wt.%)就使材料的延展性显著提高。研究发现:早期通过物理共混制备P/C材料，得到的复合材料力学性能与理论值相差甚[