Примерами двумерных (2-D) наночастиц являются углеродные нанотрубки (УНТ), нанотрубки галлуазита, нановолокна ZnO и т.д. В следующем обсуждении мы будем рассматривать только УНТ, поскольку они являются идеальным усиливающим агентом для высокопрочного многофункционального полимерного композита из-за их исключительно высокого модуля Юнга ∼ 1 ТПа, который сопоставим с модулем алмаза ∼ 1,2 ТПа. Кроме того, УНТ обладают уникальными структурными и физическими свойствами: в электронном виде они могут быть металлическими или полупроводящими в зависимости от их геометрической структуры; хорошие баллистические транспортные свойства; чрезвычайно высокая теплопроводность; и высокая оптическая поляризуемость. В зависимости от их структурной конфигурации, УНТ представляют собой либо одностенные углеродные нанотрубки (ОСУНТ), либо многостенные углеродные нанотрубки (МСУНТ). ОСНТ формируются только из одного слоя графенового листа, тогда как ОСНТ состоят из нескольких слоев коаксиальных графеновых листов.
Как и в случае других типов наночастиц, критической проблемой при использовании преимуществ превосходных свойств УНТ является способность дезагрегировать и контролировать их дисперсию в полимере, а также взаимодействие молекул с матрицей. Таким образом, были разработаны различные стратегии модификации для УНТ. Одна стратегия включает физическую адсорбцию поверхностно-активных веществ, биомакромолекул или полимеров на поверхности УНТ, так что эти функционализированные УНТ могут легко диспергироваться в широком спектре полярных/неполярных растворителей и полимерных матриц. Анионные поверхностно-активные вещества, такие как додецилсульфат натрия (SDS) и додецилбензолсульфонат натрия (NaDDBS), катионные поверхностно-активные вещества, такие как гексадецилтриметиламмонийбромид (CTAB), и неионные поверхностно-активные вещества, такие как тритон-X100, использовали для уменьшения агрегации УНТ и улучшения растворения. В общем, взаимодействие между поверхностно-активными веществами и УНТ зависит от природы поверхностно-активных веществ, которая включает длину алкильной цепи, размер головной группы и заряд. Это наглядно иллюстрируется при сравнении поверхностно-активных веществ SDS и NaDDBS, которые имеют бензольное кольцо. Взаимодействие π-стека бензольных колец на поверхности УНТ значительно увеличивает связывание и поверхностное покрытие молекул ПАВ NaDDBS. Помимо использования поверхностно-активных веществ, нековалентная функционализация УНТ также была достигнута с использованием полимеров, которые физически оборачиваются вокруг УНТ, образуя надмолекулярные комплексы. В этих случаях графитовые боковые стенки УНТ обеспечивают возможность π-стекового взаимодействия с органическими полимерами. УНТ могут быть обернуты или инкапсулированы сополимерами поли(фениленвинилен-со-2,5-диоктилокси-м-фениленвинилен) и амфифильного поли(стирол)-блок-поли(акриловая кислота). Инкапсуляция значительно усиливает дисперсию модифицированных УНТ в различных растворителях и полимерных матрицах благодаря постоянной фиксации оболочки сополимера. Однако при таком типе нековалентной модификации поверхности силы, возникающие между оберточной молекулой и УНТ, могут быть слабыми, и при действии в качестве наполнителя в полимерном композите эффективность переноса нагрузки является низкой.
Другой стратегией модификации УНТ является ковалентная прививка полимеров к поверхностно-связанным группам карбоновых кислот (-СООН) или гидроксильным группам (-ОН) на УНТ. Как правило, эти функциональные группы создаются на поверхностях УНТ во время окисления кислородом, воздухом, концентрированной серной кислотой, азотной кислотой, водной перекисью водорода или смесью кислот. В зависимости от температуры и времени кислотной обработки, процедур окисления и окислителей степень индуцированной функциональности -СООН и -ОН различается. Их присутствие на поверхности нанотрубок способствует прикреплению органических или неорганических материалов, которые увеличивают дисперсию и растворимость функционализированных УНТ в растворителях и в полимерных матрицах. Это потому, что эти функциональные группы очень реактивны, и с этими группами может происходить ряд химических реакций. Ковалентная функционализация происходит либо посредством присоединения свежеприготовленных или коммерчески доступных полимерных молекул на поверхность УНТ посредством амидирования, этерификации или радикального связывания («прививание к»), либо посредством полимеризации in situ мономеров на реакционноспособных поверхностях УНТ с помощью активных соединений (инициаторов или сомономеров) посредством радикальной, катионной, анионной, раскрывающей кольцо и конденсационной полимеризации («прививка из»). Этот подход был успешно использован для прививки многих полимеров, включая нейлон, на поверхности УНТ. Прививка УНТ с нейлоном-6 может быть достигнута в два этапа. Первым этапом является образование инициатора ацилкапролактама путем добавления -капролактама к изоцианат-функционализированным УНТ. Вторым этапом является образование полимерных ковалентнофункционализированных УНТ, в которых связанный с нанотрубками ацилкапролактам инициирует анионную полимеризацию с раскрытием кольца ε-капролактама в присутствии капролактамата натрия в качестве катализатора. Этот подход очень эффективен, и получающиеся в результате функционализированные поверхности УНТ равномерно покрыты нейлоном-6.