PEI表面修飾CNTs步驟及原理

碳納米管的端頭是由碳的五元環和六元環組成的半球形 ,強氧化劑可將端頭打開氧化成羧基 ,從而與其它的化學試劑反應。而在管壁上碳納米管本身就含有一些缺陷位置 ,如圖 1 所示 ,五元/七元環對位置缺陷 ,$sp^3$雜化位置缺陷以及納米管晶格空位缺陷。這些原生的缺陷點就很容易通過強酸對管壁的氧化破壞作用而留下空洞 ,從而連接功能基團

1. $O_3$和超聲波處理氧化腐蝕CNTs，出現較多的$-COOH$羧基官能團
2. PEI 是由氨基和甲基構成，通過與氧化後的CNTs交聯聚合，增加其水溶性
3. PEI的水溶液成鹼性，加入弱酸，在PH=8的溶液下，PEI的氨基($-NH_2$)會吸收一個（$H^+$）質子化爲($-NH{_3^+}$)，使得CNTs帶正電位。
4. EPD電泳沉積，將CNTs沉積到陰極電極上

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強，同時也可以只用酸來腐蝕氧化，同時超聲處理使得CNTs分散更均勻，氧化更充分。

PEI的作用： 一是增加在水中的溶解度， 二是通過PEI氨基官能團的質子化使得CNTs帶正電

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以下是處理步驟：

material and processing

1. 多壁碳納米管(MTCNNs)(CM-95, Hanwha Nanotech, Korea) 使用超聲波臭氧分解或酸處理來氧化。
   本實驗採用超聲波臭氧分解如圖1，無水氧氣以500ml/min的流速進入臭氧生成器(1000BT-12 from Taoture International), MWCNT的水溶液溫度冷卻至5度。使用碘滴定測量的方法，操作2h之後，臭氧濃度達到20mg/L[24], 蠕動泵(peristaltic pump, Model MU-D01 from Major Science, USA) 將MWCNT溶液泵到超聲發生器單元（sonicator cell， 800B Flocell, Qsonica, USA）水浴溫度也爲5度，大功率超聲處理((Sonicator 3000 from Misonix, USA)使用直徑12.7mm的horn，工作在60W。超生處理時間爲16h。
2. 臭氧處理後的MWCNTs也要與PEI混合(H(NHCH2CH2)58NH2, Mw: 25,000 Sigma–Aldrich, USA),PEI的濃度與MWCNTs相同。超聲處理4h。
3. PEI和臭氧處理後的MWCNTs使用冰醋酸(Sigma–Aldrich)調節PH至6，酸處理需要6min的CNTs迴流， 在體積比爲1:3的$HNO_3和H_2SO_4$溶液(Sigma Aldrich USA)中,在使用之前先用蒸餾水清洗，然後再超聲處理16h，
4. [將c-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPS), (Sigma–Aldrich) 按重量0.5%加入到官能化的MWCNTs，然後超聲處理4h。 這一步操作步驟可以不使用]
5. EPD 電泳沉積

使用的是這個裝置：

• Anode 陽極
• cathode 陰極
• tensioner 拉緊器
• teflon spacer 聚四氟乙烯墊片
• galss fabric 玻璃纖維

該裝置能使陽極、陰極和拉伸的纖維水平浸入275ml的CNT溶液中。陰極沉積的電場強度爲12到64V/cm, 沉積時間爲10-75min。覆蓋區域爲800 $mm^2$。如果雙面塗覆，則將纖維反轉。