專利名稱：改善碳納米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米材料，具體地是涉及一種改善碳納米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，屬納米材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水溶性聚合物是精細(xì)化工的支柱產(chǎn)品之一，在食品、醫(yī)療、環(huán)保等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。由于聚合物強(qiáng)度不夠高，或者電、磁性能達(dá)不到要求，有必要對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)改性。 碳納米管具有極高的強(qiáng)度和韌性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且兼具特殊的電、磁性能，是一種優(yōu)良的添加劑，廣泛應(yīng)用于金屬、聚合物等復(fù)合材料領(lǐng)域。由于碳納米管比表面能高，具有很強(qiáng)的團(tuán)聚趨向，在制備復(fù)合材料時(shí)容易形成團(tuán)聚體，不能在水及水溶性聚合物中良好分散，從而影響復(fù)合材料性能。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利“水分散性多壁碳納米管的制備方法”(申請(qǐng)?zhí)?200710188576. 5，公開(kāi)號(hào)=CN 101440228A)，介紹了一種制備水溶性碳納米管的方法，該專利自述為“首先經(jīng)過(guò)濃硝酸處理，然后與NaOH或KOH堿性溶液反應(yīng)轉(zhuǎn)化為多壁碳納米管羧酸鹽，最后進(jìn)一步用十六烷基三甲基溴化銨或芐基三乙基溴化銨陽(yáng)離子表面活性劑處理”，利用該方法可以得到水分散多壁碳納米管，但其所述的水溶液需要使用陽(yáng)離子表面活性劑，表面活性劑的存在會(huì)影響碳納米管分散液的應(yīng)用。中國(guó)專利“多壁碳納米管復(fù)合材料的制備方法”(申請(qǐng)?zhí)?00710308592. 3，公開(kāi)號(hào)CN 101469141A)，該方法將含有甲基丙烯酸酯基官能團(tuán)的離子液體在碳納米管表面發(fā)生聚合反應(yīng)，形成聚電解質(zhì)包覆的碳納米管，利用親水離子改善碳納米管在水中的分散性，但需要進(jìn)行聚合反應(yīng)，步驟較為復(fù)雜。中國(guó)專利“增強(qiáng)聚合物”(申請(qǐng)?zhí)?200710170375. 2，公開(kāi)號(hào):CN101230145A)介紹了制備碳納米管增強(qiáng)水溶性聚合物的方法，但沒(méi)有說(shuō)明碳納米管是如何進(jìn)行有效分散的。因此， 如何將碳納米管均勻彌散地分散在水及水溶性聚合物中，是碳納米管應(yīng)用中的重要問(wèn)題， 至今沒(méi)有很好的解決辦法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種改善碳納米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法。本發(fā)明利用酸和堿依次處理碳納米管，制備高度溶于水的碳納米管，直接將水溶性的聚合物在碳納米管水溶液中溶脹或溶解，可以得到分散性良好的碳納米管/聚合物溶液。本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種改善碳納米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，其特征是該方法包括如下步驟步驟一，高溫退火提純碳納米管；步驟二，采用強(qiáng)酸處理退火后的碳納米管；步驟三，采用強(qiáng)堿處理酸化后的碳納米管，得到高度溶于水的碳納米管；步驟四，將水溶性聚合物在酸堿處理后的碳納米管水溶液中溶脹或溶解，得到分散性改善的碳納米管/聚合物溶液。步驟一中，所述的高溫退火是在真空，或氮?dú)?、氬氣惰性氣體氛圍中。步驟一中，所述的碳納米管為多壁碳納米管，其制備方法可以是以下方法中的任意一種電弧放電法，激光蒸發(fā)法，化學(xué)氣相沉積法。步驟二中，所述的強(qiáng)酸為硫酸和硝酸中的一種或兩種混合。步驟三中，所述的強(qiáng)堿為氫氧化鈉和氫氧化鉀中的一種。步驟四中，所述的水溶性聚合物為以下任意一種聚乙烯醇，聚丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚乙二醇，聚氧化乙烯，聚馬來(lái)酸，水溶性聚氨酯樹脂，纖維素醚，聚乙烯基吡咯烷酮。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果(1)操作簡(jiǎn)單，參數(shù)易控，可大批量生產(chǎn)；(2)分散過(guò)程重復(fù)性強(qiáng)，分散液中碳納米管溶解度高；(3)不破壞碳納米管原有結(jié)構(gòu)，不引入其他化合物，不影響聚合物的原有性能。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例實(shí)施例1、步驟一，高溫真空退火提純碳納米管具體退火條件為本底真空度8X 10_4Pa，溫度 1600°C，時(shí)間 3h ；步驟二，混酸處理退火后的碳納米管將3g退火后的碳納米管置于300ml高濃度混酸里m2S04 HNO3 = 1 3)，將混合液在攪拌器上常溫?cái)嚢?0min，再放于超聲槽中超聲30min。然后將溶液接入回流裝置于90°C攪拌回流30min。將所得產(chǎn)物用3000rpm離心機(jī)進(jìn)行離心分離，多次離心至溶液PH值為7。將離心產(chǎn)物用1.2μπι孔徑的聚酯膜抽濾，最后在90°C烘干，得到酸化碳納米管；步驟三，用氫氧化鈉處理酸化后的碳納米管將2g酸化碳納米管放入200ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氧化鈉溶液中于90°C攪拌證，將溶液過(guò)濾水洗至PH值為7。然后在90°C 烘干，得到高度溶于水的碳納米管，碳納米管粉末的表面形貌如附圖
所示；步驟四，將0. 5g酸堿依次處理的碳納米管溶于IOOml去離子水，超聲30min，得到分散性良好的碳納米管水溶液，將15g聚乙烯醇粉末放入碳納米管水溶液中溶脹30min，超聲15min，然后在90°C攪拌他得到分散均勻的碳納米管/聚乙烯醇溶液。實(shí)施例2、步驟一，氮?dú)獗Ｗo(hù)下高溫退火提純碳納米管具體退火條件為本底真空度 IX 10_5Pa，充入高純氮?dú)庵翂簭?qiáng)為2X 10_2Pa，溫度2000°C，時(shí)間4. 5h ；步驟二，硫酸處理退火后的碳納米管將5g退火后的碳納米管置于500ml高濃度硫酸里，將混合液常溫?cái)嚢?5min，再放于超聲槽中超聲40min。然后將溶液接入回流裝置于90°C攪拌回流30min。將所得產(chǎn)物用4000rpm離心機(jī)進(jìn)行離心分離，多次離心至溶液PH 值為7。將離心產(chǎn)物用1.2μπι孔徑的聚酯膜抽濾，最后在75°C烘干，得到酸化碳納米管；步驟三，用氫氧化鉀處理酸化后的碳納米管將4g酸化碳納米管放入400ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的氫氧化鉀溶液中于90°C攪拌他，將溶液過(guò)濾水洗至PH值為7。然后在75°C
4烘干，得到高度溶于水的碳納米管；步驟四，將Ig酸堿依次處理的碳納米管溶于IOOOml去離子水，超聲30min，得到分散性良好的碳納米管水溶液。將0. 5g聚氧化乙烯粉末緩慢放入碳納米管水溶液中溶脹 45min, IOOrpm轉(zhuǎn)速攪拌溶解紐，得到分散均勻的碳納米管/聚氧化乙烯溶液。實(shí)施例3、步驟一，氬氣保護(hù)下高溫退火提純碳納米管具體退火條件為本底真空度 lX10_6Pa，充入高純氬氣至壓強(qiáng)為5X10_2Pa，溫度1900°C，時(shí)間4h ；步驟二，硝酸處理退火后的碳納米管將2g退火后的碳納米管置于300ml高濃度硝酸里，將混合液常溫?cái)嚢?0min，再放于超聲槽中超聲25min。然后將溶液接入回流裝置于80°C攪拌回流60min。將所得產(chǎn)物用4000rpm離心機(jī)進(jìn)行離心分離，多次離心至溶液PH 值為7。將離心產(chǎn)物用1.2μπι孔徑的聚酯膜抽濾，最后在60°C烘干，得到酸化碳納米管；步驟三，用氫氧化鈉處理酸化后的碳納米管將1. 5g酸化碳納米管放入200ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的氫氧化鈉溶液中于90°C攪拌證，將溶液過(guò)濾水洗至PH值為7。然后在60°C 烘干，得到高度溶于水的碳納米管；步驟四，將Ig酸堿依次處理的碳納米管溶于300ml去離子水，超聲40min，得到分散性良好的碳納米管水溶液。將IOg聚乙烯基吡咯烷酮粉末放入碳納米管水溶液中溶脹 40min，然后在90°C攪拌他得到分散均勻的碳納米管/聚乙烯基吡咯烷酮溶液。
權(quán)利要求
1.一種改善碳納米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，其特征是該方法包括如下步驟步驟一，高溫退火提純碳納米管；步驟二，采用強(qiáng)酸處理退火后的碳納米管；步驟三，采用強(qiáng)堿處理酸化后的碳納米管，得到高度溶于水的碳納米管；步驟四，將水溶性聚合物在酸堿處理后的碳納米管水溶液中溶脹或溶解，得到分散性改善的碳納米管/聚合物溶液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善碳納米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，其特征是步驟一中，所述的高溫退火是在真空，或氮?dú)?、氬氣惰性氣體氛圍中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善碳納米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，其特征是步驟一中，所述的碳納米管為多壁碳納米管，其制備方法可以是以下方法中的任意一種電弧放電法，激光蒸發(fā)法，化學(xué)氣相沉積法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善碳納米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，其特征是步驟二中，所述的強(qiáng)酸為硫酸和硝酸中的一種或兩種混合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善碳納米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，其特征是步驟三中，所述的強(qiáng)堿為氫氧化鈉和氫氧化鉀中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善碳納米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，其特征是步驟四中，所述的水溶性聚合物為以下任意一種聚乙烯醇，聚丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚乙二醇，聚氧化乙烯，聚馬來(lái)酸，水溶性聚氨酯樹脂，纖維素醚，聚乙烯基吡咯烷酮。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米材料，具體地是涉及一種改善碳納米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，屬納米材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明利用酸和堿依次處理碳納米管，制備高度溶于水的碳納米管，直接將水溶性的聚合物在碳納米管水溶液中溶脹或溶解，可以得到分散性良好的碳納米管/聚合物溶液。本發(fā)明具有如下的有益效果(1)操作簡(jiǎn)單，參數(shù)易控，可大批量生產(chǎn)；(2)分散過(guò)程重復(fù)性強(qiáng)，分散液中碳納米管溶解度高；(3)不破壞碳納米管原有結(jié)構(gòu)，不引入其他化合物，不影響聚合物的原有性能。
文檔編號(hào)C08K9/02GK102167912SQ20111004783
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者孟躍紅, 趙波, 顧明亮, 魏明生, 齊紅霞 申請(qǐng)人:徐州師范大學(xué)