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研究生： 林敬祐
Chaingyu Lin
論文名稱： 奈米碳管/高分子奈米複合材料薄膜之導電性質研究: 碳管表面接枝, π-π交互作用, 與奈米金粒子模附效應
Electric Conductivity of Thin Film Nanocomposites of Carbon Nanotubes in Polymer Matrices : Effects of Graft Polymerization, π-π Interaction Modification, and Gold Templating on Nanotubes Surfaces.
指導教授： 楊長謀
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 99
中文關鍵詞： 奈米碳管 、奈米複合材料 、奈米碳管分散 、聚苯乙烯 、Polybenzoxazole 、聚亞醯胺 、奈米金粒子
外文關鍵詞： nanotube, nano-composite, dispersion of nanotube, PS, PBO, gold nanoparticle, PI
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    • 本論文為研究多壁奈米碳管(Multi-walled carbon nanotubes, MWNTs)在高分子複合薄膜內部之導電性質，首先將多壁奈米碳管的表面利用酸化處理的方式進行改質，藉由表面的酸根使多壁奈米碳管分離結纏，同時以四點探針量測酸化之後多壁奈米碳管之電阻率，探討表面酸化對多壁奈米碳管之影響。而透過碳管表面接枝的方式於多壁奈米碳管表面接枝不同高分子鏈，使多壁奈米碳管能在不同高分子溶液中均勻分散，例如聚苯乙烯、Polybenzoxazole等高分子，並利用drop casting方式配製多壁奈米碳管/高分子複合薄膜，形成具有碳管網狀結構高分子複合薄膜，並由複合膜電阻率變化，可以了解多壁奈米碳管於不同高分子環境之導電行為。本實驗中，發現多壁奈米碳管/聚苯乙烯複合薄膜在僅添加3~5wt%多壁奈米碳管已使複合薄膜之表面電阻率大幅下降了107 Ω，但聚苯乙烯原本電值率即高達1014~1015 Ω-cm，因此多壁奈米碳管/聚苯乙烯複合薄膜仍是非導體無法作為應用。然而實驗結果顯示2.6wt%多壁奈米碳管/Polybenzoxazole複合薄膜其表面電阻率為107 Ω，相當於20wt%多壁奈米碳管/聚苯乙烯複合薄膜之表面電阻率，甚至10wt%多壁奈米碳管/Polybenzoxazole複合薄膜之表面電阻率僅只有26.7 Ω，由此可看出多壁奈米碳管/Polybenzoxazole複合薄膜優異之導電特性。此外，利用π-π交互作用力使多壁奈米碳管表面貼附官能基以減少對奈米碳管表面之破壞同時亦能保留對高分子溶液之相容性，量測結果其電阻率較多壁奈米碳管/Polybenzoxazole複合薄膜更低；接著採用奈米金粒子模附於多壁奈米碳管表面期望多壁奈米碳管/高分子複合薄膜導電性質能與金屬相同。由SEM、TEM、表面阻阬儀及四點探針的分析可知，多壁奈米碳管在奈米複合薄膜形成交聯網狀結構之後，電子可藉由較低電阻之奈米碳管穿越高分子薄膜，降低多壁奈米碳管/高分子複合薄膜之電阻率。

    第一章 簡介..............................................1 第二章 文獻回顧..........................................5 2-1奈米碳管的結構.....................................5 2-2奈米碳管的合成... .................................9 2-2-1電弧放電法....................................9 2-2-2有機物氣相催化熱解法.........................11 2-3 奈米碳管的電學性質...............................13 2-4奈米碳管的表面改質................................15 2-5奈米碳管複合材料..................................19 2-6展透理論..........................................20 2-7奈米金粒子........................................23 第三章 實驗方法.........................................25 3-1實驗材料..........................................26 3-2實驗方法..........................................28 3-2-1多壁奈米碳管之酸化...........................28 3-2-2多壁奈米碳管之表面酸根數測定.................29 3-2-3多壁奈米碳管之表面接枝聚苯乙烯...............31 3-2-4多壁奈米碳管之表面接枝Polybenzoxazole.......34 3-2-5多壁奈米碳管之表面官能化.....................37 3-2-6奈米金粒子模附多壁奈米碳管...................40 3-2-7多壁奈米碳管/高分子複合薄膜之製備與電阻率變化之 觀察........................................44 3-2-8多壁奈米碳管分析試片之製備...................46 3-3儀器介紹與分析....................................48 3-3-1掃描式電子顯微鏡分析.........................48 3-3-2穿透式電子顯微鏡分析.........................50 3-3-3霍氏轉換紅外線光譜儀分析.....................52 3-3-4熱重量分析儀分析.............................54 3-3-5四點探針介紹.................................56 第四章 結果與討論.......................................58 4-1原始多壁奈米碳管之顯微結構....................... 58 4-2多壁奈米碳管之酸化與酸化碳管之電阻率..............60 4-2-1加溫酸煮法...................................60 4-2-2酸根數之測定.................................65 4-2-3酸化奈米碳管電阻率之研究.....................67 4-3多壁奈米碳管之表面接枝聚苯乙烯....................69 4-3-1多壁奈米碳管表面改質之証據...................69 4-3-2表面接枝聚苯乙烯之含量.......................72 4-3-3多壁奈米碳管網狀結構.........................74 4-4多壁奈米碳管之表面接枝Polybenzoxazole.............76 4-4-1多壁奈米碳管表面改質之証據...................76 4-4-2表面接枝Polybenzoxazole之含量...............78 4-4-3多壁奈米碳管微觀結構分析.....................80 4-5多壁奈米碳管之表面官能化(π-π interaction).......84 4-6多壁奈米碳管之表面模附奈米金粒子..................86 4-7多壁奈米碳管複合薄膜之導電性質....................88 4-8 多壁奈米碳管複合薄膜之展透現象(Percolation model).91 第五章 結論.............................................94 第六章 參考文獻.........................................96 圖 目 錄 圖2-1 奈米碳管的結構......................................6 圖2-2 奈米碳管結構的向量表示圖............................7 圖2-3 奈米碳管的不規則結構................................8 圖2-4 電弧放電法製備奈米碳管之裝置圖.....................10 圖2-5 有機物氣相催化熱解法製備奈米碳管之裝置圖...........12 圖2-6 奈米碳管表面接枝官能團之示意圖.....................15 圖2-7 奈米碳管表面改質之示意圖...........................17 圖2-8 展透模型之示意圖...................................22 圖2-9 奈米金粒子製備流程之示意圖.........................24 圖3-1 自由基聚合法之示意圖...............................33 圖3-2 縮合聚合法之示意圖........... .....................36 圖3-3 奈米碳管表面官能化之示意圖.........................39 圖3-4 奈米碳管表面模附奈米金粒子之示意圖.................43 圖3-5 SEM及EDS分析方式..................................49 圖3-6 TEM 之分析及成像原理...............................51 圖3-7 TGA分析儀之示意圖.................................55 圖3-8 四點探針之示意圖...................................57 圖4-1 原始多壁奈米碳管之TEM及SEM影像....................59 圖4-2多壁奈米碳管於150℃酸煮半小時之SEM及TEM影像.......62 圖4-3多壁奈米碳管於150℃酸煮一小時之SEM及TEM影像.......63 圖4-4碳管聚集團大小(直徑)隨加熱酸煮時間的變化...........64 圖4-5不同酸化多壁奈米碳管之電阻率圖.....................68 圖4-6多壁奈米碳管之FTIR光譜.............................71 圖4-7多壁奈米碳管之TGA分析.............................73 圖4-8多壁奈米碳管/高分子奈米複合薄膜之分析..............75 圖4-9多壁奈米碳管之FTIR光譜............................77 圖4-10多壁奈米碳管之TGA分析............................79 圖4-11多壁奈米碳管之分析................................81 圖4-12多壁奈米碳管/高分子奈米複合薄膜之分析.............82 圖4-13 表面接枝多壁奈米碳管之分析........................83 圖4-14多壁奈米碳管/PI奈米複合薄膜經氧電漿蝕刻之分析.....85 圖4-15 多壁奈米碳管表面模附奈米金粒子之分析..............87 圖4-16 多壁奈米碳管/聚苯乙烯複合薄膜之電阻率.............89 圖4-17多壁奈米碳管(接枝PBO)/PI複合薄膜之電阻率..........89 圖4-18多壁奈米碳管/PI複合薄膜...........................90 圖4-19 多壁奈米碳管/高分子複合薄膜之電阻率比較...........93 表 目 錄 表4-1 正滴定法...........................................66 表4-2 逆滴定法...........................................66

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