專利名稱：一種碳納米管無紡布的制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于碳納米管增強體材料的制備方法，涉及一種無表面活性劑及溶劑殘留的碳納米管無紡布及其制備方法。
背景技術(shù)：
自從碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來，由于其作為新型的納米材料所具有的優(yōu)異的力學性能，電性能、熱性能及生物相容性而成為材料領域研究的熱點。尤其是碳納米管的力學性能，其理論楊氏模量高達lTPa，拉伸強度達到200GPa。如此優(yōu)異的力學性能使得碳納米管成為制備新型復合材料，尤其是聚合物基復合材料最理想的納米增強體。碳納米管在基體中良好的分散性，強的界面結(jié)合能力及較高的含量，成為制備高性能碳納米管復合材料的首要條件。為了克服上述的技術(shù)難題，近年來研究人員將碳納米 管組裝為具有不同結(jié)構(gòu)的碳納米管聚集體結(jié)構(gòu)如碳納米管陣列、碳納米管無紡布以及由其衍生而來的碳納米管纖維等。這其中，碳納米管無紡布是近年來發(fā)展的一種由碳納米管相互交迭而成的，具有良好的整體可操作性的多孔、層狀碳納米管預制體材料。由于其高孔隙率的結(jié)構(gòu)特點，很容易被樹脂基體浸潤從而得到具有良好分散性的高碳納米管含量的納米復合材料。這種新型的碳納米管組裝結(jié)構(gòu)已成為現(xiàn)在最常用的碳納米管材料而被用于碳納米管復合材料的制備。目前，制備碳納米管無紡布最常用的方法為溶液沉積法。因此，具有良好分散性的碳納米管分散液是制備碳納米管無紡布的首要條件。為了實現(xiàn)碳納米管的良好分散，必須選擇合適的溶劑及表面活性劑(如脂肪酸鈉等)，并采用有效的分散方法打開碳納米管聚集體。但是，利用溶液沉積法制備的碳納米管無紡布表面將會殘留大量的表面活性劑，通常采用溶劑清洗的辦法來去除殘留的表面活性劑，然而由于碳納米管高的比表面積以及碳納米管無紡布高孔隙率的結(jié)構(gòu)特點，很容易造成表面活性劑的吸附，簡單的溶劑清洗無法完全去除殘留的表面活性劑。而且，殘留的表面活性劑小分子，會影響樹脂基體對碳納米管無紡布的浸潤效果，并最終影響復合材料的力學性能及耐熱性能。此外，利用溶劑對無紡布進行清洗還會造成碳納米管無紡布的破裂或卷曲，降低其結(jié)構(gòu)整體性，也會影響到復合材料的力學性能。因此，如何制備一種無表面活性劑及溶劑殘留的碳納米管無紡布，從而進一步實現(xiàn)此類碳納米管材料在納米材料制造領域的廣泛應用，成為研究人員迫切需要解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種無表面活性劑及溶劑殘留的碳納米管無紡布及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明中將碳納米管、表面活性劑按照一定比例在溶劑混合，制備碳納米管分散液；采用真空或壓力輔助的溶液沉積法制備碳納米管無紡布，并對所得到的碳納米管無紡布進行高溫無氧處理，除去在制備過程中殘留的表面活性劑及溶劑，得到一種無表面活性劑及溶劑殘留的碳納米管無紡布。其制備步驟如下a)將所選用的碳納米管及非離子型表面活性劑按照質(zhì)量比為1:3 1:5的比例混合，加入與碳納米管質(zhì)量體積比為1:8 1:10去離子水并機械攪拌2h，得到碳納米管高濃度溶液；b)在步驟a)中得到的碳納米管高濃度溶液中，再加入與碳納米管質(zhì)量體積比為1:10 1:30的去離子水并持續(xù)保持機械攪拌至碳納米管分散均勻，再機械攪拌2h，并在超聲分散儀中超聲處理l(T30min，得到碳納米管懸浮分散液；C)將步驟b)中碳納米管分散液在真空抽濾器中進行真空抽濾，得到的碳納米管 沉積膜；d)將步驟c)中得到的碳納米管沉積膜用異丙醇進行淋洗，以除去殘留的表面活性劑；e)將步驟d)中經(jīng)過溶劑淋洗的碳納米管沉積膜室溫下自然晾干l(Tl2h或500C 70°C環(huán)境下烘干4 8h，得到碳納米管無紡布；f)將步驟e)中所得到的碳納米管無紡布在真空袋中，60°C 80°C下處理15 30min，以消除碳納米管無紡布的表面褶皺；g)將經(jīng)過步驟f)處理后的碳納米管無紡布，在高溫爐中400°C飛00°C環(huán)境下處理3(Tl50min,在處理過程中向爐體中以1000ml/min的流速持續(xù)通入高純氮氣進行保護，處理完畢后得到無表面活性劑及溶劑殘留的碳納米管無紡布。本發(fā)明的優(yōu)點是通過高溫無氧處理，在不損傷碳納米管自身結(jié)構(gòu)并保持碳納米管無紡布結(jié)構(gòu)完整性的同時，將在碳納米管無紡布制備過程中殘留的表面活性劑及溶劑分子完全去除，提高了樹脂基體對碳納米管無紡布的浸潤效果及碳納米管與樹脂基體的界面結(jié)合能力，從而保證樹脂基體與碳納米管無紡布的復合質(zhì)量，并進一步消除了殘留的表面活性劑及溶劑小分子對最終復合材料的力學性能及耐熱性能的影響。
具體實施例方式下面對本發(fā)明做進一步詳細說明。一種無表面活性劑及溶劑殘留的碳納米管無紡布及其制備方法，其特征在于將碳納米管、表面活性劑按照一定比例在溶劑中混合，制備碳納米管分散液；采用真空輔助的溶液沉積法制備碳納米管無紡布，并對所得到的碳納米管無紡布進行高溫無氧處理，去除在制備過程中殘留的表面活性劑及溶劑，得到一種無表面活性劑及溶劑殘留的碳納米管無紡布。其制備步驟如下a)將所選用的碳納米管及非離子型表面活性劑按照質(zhì)量比為1: 3 1: 5的比例混合，加入與碳納米管質(zhì)量體積比為1:8 1:10去離子水并機械攪拌2h，得到碳納米管高濃度溶液；b)在步驟a)中得到的碳納米管高濃度溶液中，再加入與碳納米管質(zhì)量體積比為1:10 1:30的去離子水并持續(xù)保持機械攪拌至碳納米管分散均勻，再機械攪拌2h，并在超聲分散儀中超聲處理l(T30min，得到碳納米管懸浮分散液；
c)將步驟b)中碳納米管分散液在真空抽濾器中進行真空抽濾，得到的碳納米管沉積膜；d)將步驟c)中得到的碳納米管沉積膜用異丙醇進行淋洗，以除去殘留的表面活性劑；e)將步驟d)中經(jīng)過溶劑淋洗的碳納米管沉積膜室溫下自然晾干l(Tl2h或500C 70°C環(huán)境下烘干4 8h，得到碳納米管無紡布；f)將步驟e)中所得到的碳納米管無紡布在真空袋中，60°C 80°C下處理15 30min，以消除碳納米管無紡布的表面褶皺；g)將經(jīng)過步驟f)處理后的碳納米管無紡布，在高溫爐中400°C飛00°C環(huán)境下處理3(Tl50min,在處理過程中向爐體中以1000ml/min的流速持續(xù)通入高純氮氣進行保護，處理完畢后得到無表面活性劑及溶劑殘留的碳納米管無紡布。
實施例I將IOOmg化學氣相沉積法制備的單壁碳納米管，400mg非離子型表面活性劑烷基酚聚氧乙烯醚，IOOOml去離子水在容器中混合，機械攪拌均勻，再加入3000ml去離子水，機械攪拌2h至混合均勻，再在超聲分散儀中超聲處理30min得到碳納米管懸浮分散液。將所得到的碳納米管分散液在帶有尼龍過濾膜的漏斗中真空抽濾，得到碳納米管沉積膜。以500ml異丙醇對漏斗中的碳納米管沉積膜進行淋洗，去除殘留的表面活性劑，室溫干燥12h，小心揭掉尼龍過濾膜，得到碳納米管無紡布。將所得到的碳納米管無紡布在真空袋中，60°C下處理20min，消除碳納米管無紡布在制備過程中造成的表面皺褶。將真空袋處理后的碳納米管無紡布，在高溫爐中450°C環(huán)境下處理120min，在處理過程中向爐體中持續(xù)通入高純氮氣進行保護，處理完畢后得到無表面活性劑及溶劑殘留的單壁碳納米管無紡布。實施例2將IOOmg化學氣相沉積法制備的多壁碳納米管，300mg非離子型表面活性劑聚氧乙烯胺，900ml去離子水在容器中混合，機械攪拌均勻，再加入2000ml去離子水，機械攪拌2h至混合均勻，再在超聲分散儀中超聲處理20min得到碳納米管懸浮分散液。將所得到的碳納米管分散液在帶有尼龍過濾膜的漏斗中真空抽濾，得到碳納米管沉積膜。以500ml異丙醇對漏斗中的碳納米管沉積膜進行淋洗，去除殘留的表面活性劑，在60°C的烘箱中干燥6h，小心揭掉尼龍過濾膜，得到碳納米管無紡布。將所得到的碳納米管無紡布在真空袋中，80°C下處理15min，消除碳納米管無紡布在制備過程中造成的表面皺褶。將真空袋處理后的碳納米管無紡布，在高溫爐中500°C環(huán)境下處理60min，在處理過程中向爐體中持續(xù)通入高純氮氣進行保護，處理完畢后得到無表面活性劑及溶劑殘留的多壁碳納米管無紡布。實施例3將IOOmg自催化熱解法制備的單壁碳納米管，500mg非離子型表面活性劑聚氧乙烯酰胺，IOOOml去離子水在容器中混合，機械攪拌均勻，再加入3000ml去離子水，機械攪拌2h至混合均勻，再在超聲分散儀中超聲處理15min得到碳納米管懸浮分散液。將所得到的碳納米管分散液在帶有尼龍過濾膜的漏斗中真空抽濾，得到碳納米管沉積膜。以600ml異丙醇對漏斗中的碳納米管沉積膜進行淋洗，去除殘留的表面活性劑，在70°C的烘箱中干燥4h，小心揭掉尼龍過濾膜，得到碳納米管無紡布。將所得到的碳納米管無紡布在真空袋中，60°C下處理30min，消除碳納米管無紡布在制備過程中造成的表面皺褶。將真空袋處理后的碳納米管無紡布，在高溫爐中400°C環(huán)境下處理150min，在處理過程中向爐體中持續(xù)通入高純氮氣進行保護，處理完畢后得到無表面活性劑及溶劑殘留的單壁碳納米管無紡布。實施例4將IOOmg電弧放電法制備的多壁碳納米管，400mg非離子型表面活性劑失水山梨醇酯，IOOOml去離子水在容器中混合，機械攪拌均勻，再加入2000ml去離子水，機械攪拌2h至混合均勻，再在超聲分散儀中超聲處 理25min得到碳納米管懸浮分散液。將所得到的碳納米管分散液在帶有尼龍過濾膜的漏斗中真空抽濾，得到碳納米管沉積膜。以500ml異丙醇對漏斗中的碳納米管沉積膜進行淋洗，去除殘留的表面活性劑，在50°C的烘箱中干燥Bh,小心揭掉尼龍過濾膜，得到碳納米管無紡布。將所得到的碳納米管無紡布在真空袋中，60°C下處理20min，消除碳納米管無紡布在制備過程中造成的表面皺褶。將真空袋處理后的碳納米管無紡布，在高溫爐中450°C環(huán)境下處理90min，在處理過程中向爐體中持續(xù)通入高純氮氣進行保護，處理完畢后得到無表面活性劑及溶劑殘留的多壁碳納米管無紡布。實施例5將IOOmg化學氣相沉積法制備的多壁碳納米管，300mg非離子型表面活性劑烷基醇酰胺，800ml去離子水在容器中混合，機械攪拌均勻，再加入IOOOml去離子水，機械攪拌2h至混合均勻，再在超聲分散儀中超聲處理30min得到碳納米管懸浮分散液。將所得到的碳納米管分散液在帶有尼龍過濾膜的漏斗中真空抽濾，得到碳納米管沉積膜。以500ml異丙醇對漏斗中的碳納米管沉積膜進行淋洗，去除殘留的表面活性劑，室溫干燥10h，小心揭掉尼龍過濾膜，得到碳納米管無紡布。將所得到的碳納米管無紡布在真空袋中，60°C下處理30min,消除碳納米管無紡布在制備過程中造成的表面皺褶。將真空袋處理后的碳納米管無紡布，在高溫爐中500°C環(huán)境下處理30min，在處理過程中向爐體中持續(xù)通入高純氮氣進行保護，處理完畢后得到無表面活性劑及溶劑殘留的多壁碳納米管無紡布。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管無紡布的制備方法，其特征在于，碳納米管無紡布利用溶液沉積法制備，其制備步驟如下 a)將所選用的碳納米管及非離子型表面活性劑按照質(zhì)量比為1:3 1:5的比例混合，加入與碳納米管質(zhì)量體積比為1:8 1:10去離子水并機械攪拌2h，得到碳納米管高濃度溶液； b)在步驟a)中得到的碳納米管高濃度溶液中，再加入與碳納米管質(zhì)量體積比為1:10 1:30的去離子水并持續(xù)保持機械攪拌至碳納米管分散均勻，再機械攪拌2h，并在超聲分散儀中超聲處理l(T30min，得到碳納米管懸浮分散液； c)將步驟b)中碳納米管分散液在真空抽濾器中進行真空抽濾，得到的碳納米管沉積膜； d)將步驟c)中得到的碳納米管沉積膜用異丙醇進行淋洗，以除去殘留的表面活性劑； e)將步驟d)中經(jīng)過溶劑淋洗的碳納米管沉積膜室溫下自然晾干l(Tl2h或50°C 70°C環(huán)境下烘干4 8h，得到碳納米管無紡布； f)將步驟e)中所得到的碳納米管無紡布在真空袋中，60°C 80°C下處理15 30min，以消除碳納米管無紡布的表面褶皺； g)將經(jīng)過步驟f)處理后的碳納米管無紡布，在高溫爐中400°C飛00°C環(huán)境下處理3(Tl50min,在處理過程中向爐體中以1000ml/min的流速持續(xù)通入高純氮氣進行保護，處理完畢后得到無表面活性劑及溶劑殘留的碳納米管無紡布。
2.如權(quán)利要求I所述的一種碳納米管無紡布的制備方法，其特征在于，所用的碳納米管采用化學氣相沉積法、自催化熱解、電弧放電、模板法或激光蒸發(fā)法制備。
3.如權(quán)利要求I所述的一種碳納米管無紡布的制備方法，其特征在于，所選用的碳納米管為單壁碳納米管或多壁碳納米管。
4.如權(quán)利要求I所述的一種碳納米管無紡布的制備方法，其特征在于，所選用的碳納米管的直徑為l(T500nm。
5.如權(quán)利要求I所述的一種碳納米管無紡布的制備方法，其特征在于，選用的表面活性劑為非離子型表面活性劑，如烷基酚聚氧乙烯醚，高碳脂肪醇聚氧乙烯醚，脂肪酸聚氧乙烯酯，聚氧乙烯胺，聚氧乙烯酰胺，聚丙二醇的環(huán)氧乙烷加成物，失水山梨醇酯，蔗糖酯，烷基醇酰胺其中的任意一種。
全文摘要
本發(fā)明屬于碳納米管增強體材料的制備方法，涉及一種無表面活性劑及溶劑殘留的碳納米管無紡布及其制備方法。本發(fā)明將碳納米管、表面活性劑按照一定比例在溶劑混合，制備碳納米管分散液；采用真空或壓力輔助的溶液沉積法制備碳納米管無紡布，并對所得到的碳納米管無紡布進行高溫無氧處理，除去在制備過程中殘留的表面活性劑及溶劑，得到一種無表面活性劑及溶劑殘留的碳納米管無紡布。本發(fā)明通過高溫無氧處理，在不損傷碳納米管自身結(jié)構(gòu)并保持碳納米管無紡布結(jié)構(gòu)完整性的同時，將在碳納米管無紡布制備過程中殘留的表面活性劑及溶劑分子完全去除，提高了樹脂基體對碳納米管無紡布的浸潤效果及碳納米管與樹脂基體的界面結(jié)合能力。
文檔編號D21H13/36GK102704351SQ20121015700
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18日
發(fā)明者劉剛, 張朋, 李曄, 鐘翔嶼, 鮑建文 申請人:中國航空工業(yè)集團公司北京航空材料研究院