本發(fā)明涉及碳納米材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種碳納米材料的水性分散液及其制備方法。

背景技術(shù)：

納米材料由于巨大的比表面積、顆粒間較大的范德瓦爾斯力、靜電力以及毛細(xì)吸力等因素，十分容易出現(xiàn)團(tuán)聚，從而嚴(yán)重影響后期的使用效果。理論上碳納米材料在液相中發(fā)生團(tuán)聚的可能性要低于純粉體，故而碳納米材料在液相中能夠穩(wěn)定分散，從而獲得分散性好、穩(wěn)定性高以及固含量大的分散液，進(jìn)而是促進(jìn)碳納米材料下游應(yīng)用的發(fā)展。

目前，傳統(tǒng)的碳納米材料的分散體系主要有三種：

第一種：表面活性劑水溶液；該體系成本低、操作簡便；但是碳納米材料的分散濃度很低，不能滿足碳納米材料應(yīng)用發(fā)展的需求。

第二種：有機(jī)溶劑；相比第一種，該體系雖然可以得到較高的碳納米材料的分散濃度；但是，有機(jī)溶劑成本高、沸點(diǎn)較高且后期不易除去；另外，有機(jī)溶劑本身或多或少具有毒性、易燃性以及環(huán)境危害等危險(xiǎn)特性，在越來越高的環(huán)保要求下，其已不能適應(yīng)新形勢下的發(fā)展要求。

第三種：超酸；超酸通過與碳納米材料的氧化還原、接枝、改性，故而得達(dá)到良好的分散能力。該體系可以得到目前最高的分散濃度。但是，該體系具有強(qiáng)酸性、對設(shè)備要求高、且操作過程中需要格外小心、具有較高的潛在的安全隱患，同時強(qiáng)酸等廢液污染情況依然堪憂。

特別在碳納米材料最具有應(yīng)用前景的涂料、導(dǎo)電薄膜、電熱保溫設(shè)備、儲能蓄電燈等技術(shù)領(lǐng)域，大多是在與人接觸密切的使用場合，有機(jī)溶劑以及超酸不能滿足日益提高的環(huán)保要求，從而限制了碳納米材料的應(yīng)用。

因此，亟需一種可形成高分散濃度、且環(huán)保的碳納米材料的分散液。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對現(xiàn)有的碳納米材料分散體系或分散濃度低、或不環(huán)保的問題，提供一種可形成高分散濃度、且環(huán)保的碳納米材料的水性分散液。

一種碳納米材料的水性分散液，包括碳納米材料、表面活性劑、還原性糖以及去離子水。

上述碳納米材料的水性分散液，由于添加了還原性糖，還原性糖具有游離醛基或酮基從而使其可溶于水并均勻分散于體系中。還原性糖分子間容易以氫鍵結(jié)合，可與整個分散體系均勻穩(wěn)定存在。另外，還原性糖分子由于電子共軛效應(yīng)，形狀趨于球形，體積遠(yuǎn)小于碳納米材料，對整個體系起到了潤滑作用；綜上可形成高分散濃度的分散體系。上述碳納米材料的水性分散液，為水性分散液，不采用有機(jī)溶劑體系以及超酸體系，環(huán)保，并擴(kuò)大了碳納米材料的應(yīng)用范圍。

在其中一個實(shí)施例中，所述碳納米材料為碳納米管或石墨烯。

在其中一個實(shí)施例中，所述碳納米管的直徑為5nm～40nm，壁厚為1層～10層，長度為1μm～20μm。

在其中一個實(shí)施例中，所述還原性糖選自葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖、或麥芽糖的一種或幾種。

在其中一個實(shí)施例中，所述表面活性劑包括非離子型表面活性劑以及第二表面活性劑；所述第二表面活性劑選自固醇及其成鹽化合物、膽汁酸及其成鹽化合物、或膽汁醇及其成鹽化合物中的一種或幾種。

在其中一個實(shí)施例中，所述非離子型表面活性劑選自聚乙烯醇及其衍生物、或聚氧乙烯酯及其衍生物中的一種或幾種。

在其中一個實(shí)施例中，所述第二表面活性劑選自膽酸鈉、脫氧膽酸鈉、去氫膽酸、去氫膽酸鈉、β-谷甾醇、或膽固醇中的一種或幾種。

在其中一個實(shí)施例中，包括如下組分：

本發(fā)明還提供了一種上述碳納米材料的水性分散液的制備方法。

一種碳納米材料的水性分散液的制備方法，包括將碳納米材料、表面活性劑、還原性糖以及去離子水混勻。

上述制備方法，得到的碳納米材料的水性分散液，其分散濃度高、且環(huán)保。

在其中一個實(shí)施例中，包括如下步驟：

將碳納米材料、一部分的表面活性劑、及第一部分的去離子水砂磨或球磨混合，得到第一混合液；

將所述第一混合液與第二部分的去離子水于靜態(tài)混合器中混合，得到第二混合液；

將所述第二混合液、剩余的表面活性劑、及剩余的去離子水于靜態(tài)混合器中混合，得到碳納米材料的水性分散液。

在其中一個實(shí)施例中，所述第一部分的去離子水占去離子水總量的70～80wt％；所述第二部分的去離子水占去離子水總量的5～15wt％。

附圖說明

圖1為分散液a1的電鏡掃描圖。

圖2為分散液d1的電鏡掃描圖。

圖3為分散液b1的電鏡掃描圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施方式，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施方式僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實(shí)施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個或多個相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。

一種碳納米材料的水性分散液，包括碳納米材料、表面活性劑、還原性糖以及去離子水。

其中，納米碳材料一般指在分散相尺度至少有一維小于100nm的碳材料。優(yōu)選地，碳納米材料選自碳納米管或石墨烯。

更優(yōu)選地，碳納米管的直徑為5nm～40nm，壁厚為1層～10層，長度為1μm～20μm。采用上述碳納米管，具有良好的電學(xué)特性，避免電學(xué)性能損失降低，同時減少碳納米管微觀纏結(jié)更利于分散。

其中，還原性糖是指具有還原性的糖類。還原性糖一般為分子中含有游離醛基或酮基的單糖或分子中含有游離醛基的二糖。

優(yōu)選地，還原性糖選自葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖、或麥芽糖的一種或幾種。

其中，表面活性劑的主要作用是，促使碳納米材料在去離子水中分散。

優(yōu)選地，表面活性劑包括非離子型表面活性劑以及第二表面活性劑。第二表面活性劑選自固醇及其成鹽化合物、膽汁酸及其成鹽化合物、或膽汁醇及其成鹽化合物中的一種或幾種。即采用非離子型表面活性劑以及第二表面活性劑復(fù)配來進(jìn)一步提高分散效果。

更優(yōu)選地，第二表面活性劑選自膽酸鈉、脫氧膽酸鈉、去氫膽酸、去氫膽酸鈉、β-谷甾醇、或膽固醇中的一種或幾種。

當(dāng)然，可以理解的是，本發(fā)明的第二表面活性劑并不局限于上述化合物，還可以是其它離子型表面活性劑。例如et-500、sorpol7948等。

其中，非離子型表面活性劑，是指在水溶液中不產(chǎn)生離子的表面活性劑。

優(yōu)選地，非離子型表面活性劑選自聚乙烯醇及其衍生物、或聚氧乙烯酯及其衍生物中的一種或幾種。這樣可以進(jìn)一步提高分散效果。

當(dāng)然，可以理解的是，本發(fā)明的非離子型表面活性劑并不局限于上述化合物，還可以是其它非離子型表面活性劑。例如聚氧乙烯烷基醚及其衍生物、p.o.e甘油酯、聚乙二醇脂肪酸酯、聚氧乙烯氫化蓖麻油、聚乙二醇等。

優(yōu)選地，碳納米材料的水性分散液包括如下組分：

更優(yōu)選地，碳納米材料的水性分散液包括如下組分：

本發(fā)明所提供的碳納米材料的水性分散液，由于添加了還原性糖，還原性糖具有游離醛基或酮基從而使其可溶于水并均勻分散于體系中。還原性糖分子間容易以氫鍵結(jié)合，可與整個分散體系均勻穩(wěn)定存在。另外，還原性糖分子由于電子共軛效應(yīng)，形狀趨于球形，體積遠(yuǎn)小于碳納米材料，對整個體系起到了潤滑作用；綜上可形成高分散濃度的分散體系，從而有利于碳納米材料的應(yīng)用。上述碳納米材料的水性分散液，為水性分散液，不采用有機(jī)溶劑體系以及超酸體系，從而避免了有機(jī)溶劑及超酸所帶來的不環(huán)保問題，并擴(kuò)大了碳納米材料的應(yīng)用范圍。

本發(fā)明所提供的碳納米材料的水性分散液，還具有良好的涂膜性能，在無成膜劑添加情況下附著力高于其他水性分散液，并且表面電阻率均勻度有顯著提升。

本發(fā)明還提供了一種上述碳納米材料的水性分散液的制備方法。

一種碳納米材料的水性分散液的制備方法，包括將碳納米材料、表面活性劑、還原性糖以及去離子水混勻。

優(yōu)選地，混勻包括如下步驟：將碳納米材料、一部分表面活性劑、及第一部分的去離子水砂磨或球磨混合，得到第一混合液；將第一混合液與第二部分的去離子水于靜態(tài)混合器中混合，得到第二混合液；將第二混合液、剩余的表面活性劑、及剩余的去離子水于靜態(tài)混合器中混合，得到碳納米材料的水性分散液。

更優(yōu)選地，將碳納米材料、離子型表面活性劑、及第一部分的去離子水砂磨或球磨混合，得到第一混合液；將第一混合液與第二部分的去離子水于靜態(tài)混合器中混合，得到第二混合液；將第二混合液、非離子表面活性劑、及剩余的去離子水于靜態(tài)混合器中混合，得到碳納米材料的水性分散液。這樣首先在碳納米材料表面包覆一層第二表面活性劑，使碳納米材料轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水；然后通過溶于水的非離子型表面活性劑，給予碳納米材料的水性分散體系一定的空間位阻效應(yīng)，減少并抑制碳納米材料的團(tuán)聚，從而可以進(jìn)一步達(dá)到長期穩(wěn)定分散的效果。

更優(yōu)選地，第一部分的去離子水占去離子水總量的70～80wt％；第二部分的去離子水占去離子水總量的5～15wt％。這樣進(jìn)一步促使碳納米材料分散均勻。

上述制備方法，得到的碳納米材料的水性分散液，其分散濃度高、且環(huán)保。

以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

實(shí)施例1-1

碳納米材料：4g碳納米管粉體(平均直徑10nm，3～5層，長度5～20μm)；

非離子表面活性劑：1.2gpva；

第二表面活性劑：0.5g脫氧膽酸鈉；

還原性糖：1g半乳糖；

去離子水：添加至總重為100g(93.3g)；

將碳納米管粉體、第二表面活性劑以及總量75％的去離子水在砂磨機(jī)中砂磨1h，得到第一混合液。

在第一混合液中，加入還原性糖和總量10％的去離子水，并于靜態(tài)混合器中混合10min后，得到第二混合液。

在第二混合液中，加入非離子表面活性劑和剩余的15％的去離子水，在靜態(tài)混合器中混合20min。得到碳納米材料的水性分散液，記作a1。

實(shí)施例1-2

碳納米材料：4g碳納米管粉體(平均直徑10nm，3～5層，長度5～20μm)；

非離子表面活性劑：1gpva；

第二表面活性劑：0.2g脫氧膽酸鈉；

還原性糖：1.5g半乳糖；

去離子水：添加至總重為100g；

將碳納米管粉體、離子表面活性劑以及總量75％的去離子水在砂磨機(jī)中砂磨1h，得到第一混合液。

在第一混合液中，加入還原性糖和總量10％的去離子水，并于靜態(tài)混合器中混合10min后，得到第二混合液。

在第二混合液中，加入非離子表面活性劑和剩余的15％的去離子水，在靜態(tài)混合器中混合20min。得到碳納米材料的水性分散液，記作a2。

實(shí)施例1-3

碳納米材料：4g碳納米管粉體(平均直徑10nm，3～5層，長度5～20μm)；

非離子表面活性劑：1gpva；

第二表面活性劑：1.25g膽酸鈉與0.6gβ-谷甾醇；

還原性糖：0.8g半乳糖；

去離子水：添加至總重為100g；

將碳納米管粉體、離子表面活性劑以及總量75％的去離子水在砂磨機(jī)中砂磨1h，得到第一混合液。

在第一混合液中，加入還原性糖和總量10％的去離子水，并于靜態(tài)混合器中混合10min后，得到第二混合液。

在第二混合液中，加入非離子表面活性劑和剩余的15％的去離子水，在靜態(tài)混合器中混合20min。得到碳納米材料的水性分散液，記作a3。

實(shí)施例1-4

碳納米材料：4g碳納米管粉體(平均直徑10nm，3～5層，長度5～20μm)；

表面活性劑：1.5gpvp；

還原性糖：0.73g半乳糖；

去離子水：添加至總重為100g；

將碳納米管粉體、表面活性劑以及總量75％的去離子水在砂磨機(jī)中砂磨1h，得到第一混合液。

在第一混合液中，加入還原性糖和總量10％的去離子水，并于靜態(tài)混合器中混合10min后，得到第二混合液。

在第二混合液中，加入剩余的15％的去離子水，在靜態(tài)混合器中混合20min。得到碳納米材料的水性分散液，記作a4。

實(shí)施例1-5

碳納米材料：4g碳納米管粉體(平均直徑10nm，3～5層，長度5～20μm)；

表面活性劑：1.28g去氫膽酸鈉；

還原性糖：0.6g半乳糖；

去離子水：添加至總重為100g；

將碳納米管粉體、表面活性劑以及總量75％的去離子水在砂磨機(jī)中砂磨1h，得到第一混合液。

在第一混合液中，加入還原性糖和總量10％的去離子水，并于靜態(tài)混合器中混合10min后，得到第二混合液。

在第二混合液中，加入剩余的15％的去離子水，在靜態(tài)混合器中混合20min。得到碳納米材料的水性分散液，記作a5。

對比例1-1

與實(shí)施例1-1所不同的是，不添加還原性糖。

其它部分與實(shí)施例1-1相同。

得到碳納米材料的水性分散液，記作d1。

實(shí)施例2-1

碳納米材料：4g石墨烯(層數(shù)3-5層)；

非離子表面活性劑：1.42gpva；

第二表面活性劑：0.35g膽酸鈉與0.1gβ-谷甾醇；

還原性糖：1.08g麥芽糖

去離子水：添加至總重為100g；

將碳納米管粉體、離子表面活性劑以及總量75％的去離子水在砂磨機(jī)中砂磨1h，得到第一混合液。

在第一混合液中，加入還原性糖和總量10％的去離子水，并于靜態(tài)混合器中混合10min后，得到第二混合液。

在第二混合液中，加入非離子表面活性劑和剩余的15％的去離子水，在靜態(tài)混合器中混合20min。得到碳納米材料的水性分散液，記作b1。

對比例2-1

與實(shí)施例2-1所不同的是，不添加還原性糖。

其它部分與實(shí)施例2-1相同。

得到碳納米材料的水性分散液，記作d2。

實(shí)施例3-1

碳納米材料：4g碳納米管粉體(平均直徑10nm，3～5層，長度5～20μm)；

非離子表面活性劑：1.2gpva；

第二表面活性劑：0.5g脫氧膽酸鈉；

還原性糖：0.5g半乳糖；

去離子水：添加至總重為100g；

將碳納米管粉體、第二表面活性劑以及總量75％的去離子水在砂磨機(jī)中砂磨1h，得到第一混合液。

在第一混合液中，加入還原性糖和總量10％的去離子水，并于靜態(tài)混合器中混合10min后，得到第二混合液。

在第二混合液中，加入非離子表面活性劑和剩余的15％的去離子水，在靜態(tài)混合器中混合20min。得到碳納米材料的水性分散液，記作c1。

實(shí)施例3-2

與實(shí)施例3-1所不同的是，還原性糖為1g半乳糖。

其它部分與實(shí)施例3-1相同。

得到碳納米材料的水性分散液，記作c2。

實(shí)施例3-2

與實(shí)施例3-1所不同的是，還原性糖為1.5g半乳糖。

其它部分與實(shí)施例3-1相同。

得到碳納米材料的水性分散液，記作c3。

實(shí)施例3-2

與實(shí)施例3-1所不同的是，還原性糖為2g半乳糖。

其它部分與實(shí)施例3-1相同。

得到碳納米材料的水性分散液，記作c4。

對比例3-1

與實(shí)施例3-1所不同的是，不添加還原性糖。

其它部分與實(shí)施例3-1相同。

得到碳納米材料的水性分散液，記作d3。

性能測試：

電鏡掃描：

將碳納米材料的水性分散液a1、d1以及b1進(jìn)行電鏡掃描，得到掃描圖分別見圖1、圖2以及圖3。

相對圖2，圖1中的團(tuán)聚現(xiàn)象大大減少，這說明添加還原性糖的碳納米材料的水性分散液，其分散得更加均勻。

參見圖3，圖3中石墨烯基本未觀察到團(tuán)聚現(xiàn)象，這說明本發(fā)明也可以很好地分散石墨烯。

涂膜電阻標(biāo)準(zhǔn)差測試：

將碳納米材料的水性分散液c1-c4以及d3分別用線棒法涂膜，尺寸8*15cm²；每涂一層，每次膜全干燥后測其上五個點(diǎn)電阻(采用四探針表面電阻儀)，測試結(jié)果見表1。

表1

從表1可以看出，相對于分散液d3成膜，無論膜層數(shù)，分散液c1-c4成膜的電阻標(biāo)準(zhǔn)差均較小，這說明分散液c1-c4成膜的電阻分布得更均勻，進(jìn)而說明：相對于分散液d3，分散液c1-c4中碳納米管分散更均勻。

以上所述實(shí)施方式的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實(shí)施方式中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實(shí)施方式僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。