球狀碳納米管基團(tuán)及其制備方法和用途
【專利摘要】一種球狀碳納米管基團(tuán)及其制備方法和用途，該球狀碳納米管基團(tuán)是將碳納米管置于旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，通過旋轉(zhuǎn)使無序纏繞的碳納米管團(tuán)聚成有序交織的基團(tuán)而形成，所述基團(tuán)的粒徑為0.1～3微米，形狀為球形或棒形。制備方法包括：將碳納米管與研磨介質(zhì)在研磨機(jī)中研磨，形成球狀的碳納米管基團(tuán)構(gòu)成的粉體；或者經(jīng)無研磨介質(zhì)的研磨設(shè)備研磨，形成碳納米管基團(tuán)構(gòu)成的粉體；或?qū)⑻技{米管經(jīng)氣流粉碎機(jī)進(jìn)行高壓氣體沖擊粉碎，形成碳納米管基團(tuán)構(gòu)成的粉體。該球狀碳納米管基團(tuán)可用作鋰電池、高分子材料、涂料、油漆的導(dǎo)電劑、導(dǎo)熱劑。本發(fā)明的球狀碳納米管基團(tuán)制備過程簡單，具有優(yōu)良的分散性能，可直接添加到基體材料中，性質(zhì)穩(wěn)定均一，易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
【專利說明】球狀碳納米管基團(tuán)及其制備方法和用途
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及碳納米管，特別是涉及一種球狀碳納米管基團(tuán)及其制備方法和用途?！尽颈尘凹夹g(shù)】】
[0002]碳納米管是優(yōu)秀的導(dǎo)電劑，其尺寸一般為2~100納米，長度可達(dá)10~50微米。碳納米管不但能夠在導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中起到導(dǎo)線的作用，而且還具有雙電層效應(yīng)及超級(jí)電容器的高倍率特性。同時(shí)，碳納米管良好的導(dǎo)熱性能有利于電池充放電時(shí)的散熱，減少電池的極化，提高電池的高低溫性能，延長電池的壽命。在高分子材料和涂料、油漆中添加炭黑量的1/10的碳納米管，即可達(dá)到炭黑的導(dǎo)電狀態(tài)。
[0003]Sheem等人(Journal of Power Sources2006, 158，1425-1430)對(duì)比了多壁碳納米管和傳統(tǒng)的導(dǎo)電炭黑對(duì)鋰離子電池的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論在電容量和循環(huán)次數(shù)上，多壁碳納米管都明顯的優(yōu)于導(dǎo)電炭黑。然而，由于碳納米管相互之間較強(qiáng)的范德華力，使得碳納米管之間相互纏繞在一起，難以均勻地分散到材料中，從而影響了碳納米管本身物理性能的發(fā)揮。因此，如何制備易于分散的碳納米管產(chǎn)品成為限制其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的一個(gè)主要障礙。目前，解決碳納米管的分散問題主要有化學(xué)和物理兩種方法。其中，化學(xué)方法多是通過強(qiáng)酸氧化。由于強(qiáng)酸會(huì)破壞碳納米管本身結(jié)構(gòu)，使碳納米管的性能減弱或失效，且由于操作復(fù)雜，易對(duì)環(huán)境造成污染等因素，使之難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。目前高分子材料、涂料、油漆等材料主要應(yīng)用此類碳納米管。物理方法則是通過砂磨機(jī)進(jìn)行濕法研磨處理，制備成導(dǎo)電漿料，雖然分散效果較好，但其中添加的分散劑的量大影響導(dǎo)電性能的發(fā)揮，使之電阻變大，并且保質(zhì)期短，目前鋰電池生產(chǎn)主要應(yīng)用這類產(chǎn)品。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004]本發(fā)明旨在解決上述問題，而提供一種制備過程簡單，具有優(yōu)良的分散性能，可直接添加到基體材料中而無需添加分散劑，性質(zhì)穩(wěn)定均一，易形成網(wǎng)絡(luò)的球狀碳納米管基團(tuán)。
[0005]本發(fā)明的目的還在于提供一種球狀碳納米管基團(tuán)的制備方法。
[0006]本發(fā)明的目的還在于提供所述球狀碳納米管基團(tuán)的用途。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種球狀碳納米管基團(tuán)，該球狀碳納米管基團(tuán)是將碳納米管粉體置于旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，通過旋轉(zhuǎn)使無序纏繞的碳納米管團(tuán)聚成有序交織的基團(tuán)而形成，所述基團(tuán)的粒徑為0.1~3微米，形狀為球形或棒形。
[0008]所述球形碳納米管基團(tuán)為圓球形或橢球形。
[0009]所述旋轉(zhuǎn)設(shè)備為研磨機(jī)或氣流粉碎機(jī)。
[0010]所述研磨機(jī)為球磨機(jī)或砂磨機(jī)。
[0011]本發(fā)明還提供了所述球狀碳納米管基團(tuán)的制備方法，該方法包括如下步驟:
[0012]a、將碳納米管與研磨介質(zhì)按0.1~1:0.1~10的比例置于研磨機(jī)中；
[0013]b、將納米碳管用有研磨介質(zhì)的研磨機(jī)以2~50米/秒的線速度研磨I分鐘~20小時(shí)，形成由多個(gè)粒徑為0.1~3微米，形狀為球形或棒形的碳納米管基團(tuán)構(gòu)成的粉體。[0014]在本發(fā)明的另一方案中，所述球狀碳納米管基團(tuán)的制備方法包括如下步驟:
[0015]C、將占研磨設(shè)備容積30~90%的碳納米管置于無研磨介質(zhì)的研磨機(jī)中；
[0016]d、將納米碳管用無研磨介質(zhì)的研磨機(jī)研磨I分鐘~20小時(shí),所述研磨機(jī)的線速度為5~50米/秒,形成由多個(gè)粒徑為0.1~3微米,形狀為球形或棒形的碳納米管基團(tuán)構(gòu)成的粉體。
[0017]在本發(fā)明的又一方案中，所述球狀碳納米管基團(tuán)的制備方法包括如下步驟
[0018]e、將碳納米管送入氣流粉碎機(jī)，碳納米管的進(jìn)料速度為1~100公斤/小時(shí)，進(jìn)料氣壓為0.7~1.0Mpa ；
[0019]f、將碳納米管在氣流粉碎機(jī)內(nèi)以2~10立方米/小時(shí)的氣流量的高壓氣體進(jìn)行沖擊粉碎后出料，即得到由多個(gè)粒徑為0.1~3微米，形狀為球形或棒形的碳納米管基團(tuán)構(gòu)成的粉體。
[0020]所述研磨介質(zhì)為材料及尺寸相同的單一介質(zhì)，或材料及尺寸不同的混合介質(zhì)，其中，所述單一介質(zhì)的粒徑為0.1~50mm。
[0021]研磨介質(zhì)為硅酸鋯珠、二氧化鋯珠、二氧化鋁珠或鋼珠中的一種或幾種的組合。
[0022]本發(fā)明還提供了所述的球狀碳納米管基團(tuán)的用途，該球狀碳納米管基團(tuán)可用作鋰電池、高分子材料、涂料、油漆的導(dǎo)電劑、導(dǎo)熱劑。
[0023]本發(fā)明的貢獻(xiàn)在于，其有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的碳納米管分散性差，需要強(qiáng)酸氧化及使用分散劑分散等問題。本發(fā)明的球狀碳納米管基團(tuán)材料由于團(tuán)聚成球狀體，因而具有優(yōu)良的分散特性，其可直接添加到基體材料中，從而減少或無需添加分散劑，因而大大擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍，優(yōu)化和改善了生產(chǎn)工藝，并可顯著節(jié)約能源。本發(fā)明的碳納米管基團(tuán)的球狀結(jié)構(gòu)易于形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，因此可更好的發(fā)揮碳納米管的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，該碳納米管基團(tuán)直接經(jīng)短時(shí)間高速攪拌即可做成鋰電池用導(dǎo)電漿料，因此大大減少了分散時(shí)間。本發(fā)明的制備方法工藝簡單，易于實(shí)施和大規(guī)模推廣應(yīng)用，且生產(chǎn)成本低廉。本發(fā)明的碳納米管基團(tuán)用途廣泛，其可應(yīng)用于鋰電池、高分子材料、涂料、油漆中，作為可均勻分散的導(dǎo)電劑和導(dǎo)熱劑。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0024]圖1是通過有介質(zhì)研磨設(shè)備所制得的含碳納米管基團(tuán)的粉體顯微掃描圖。
[0025]圖2是通過無介質(zhì)研磨設(shè)備所制得的含碳納米管基團(tuán)的粉體顯微掃描圖。
[0026]圖3是通過氣流粉碎機(jī)所制得的含碳納米管基團(tuán)的粉體顯微掃描圖。
[0027]圖4是由碳納米管基團(tuán)制成的導(dǎo)電漿料顯微掃描圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0028]下列實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步解釋和說明，對(duì)本發(fā)明不構(gòu)成任何限制。
[0029]本發(fā)明中的碳納米管可以是公知的單壁碳納米管或多壁碳納米管中的任一種。
[0030]實(shí)施例1
[0031] 將160克的多壁碳納米管與重量為600克，直徑為5暈米的錯(cuò)珠及重量為600克，直徑為I毫米的鋯珠的混合介質(zhì)同時(shí)放入3升的行星式球磨機(jī)罐內(nèi)，球磨機(jī)的線速度為5米/秒，研磨時(shí)間5小時(shí)，得到含多個(gè)直徑為I~3微米，形狀為橢球狀的碳納米管基團(tuán)的粉體，粉體中碳納米管基團(tuán)的體積含量為30~40%，該碳納米管基團(tuán)粉體的顯微掃描圖如圖1所示。
[0032]實(shí)施例2
[0033]將160克的多壁碳納米管與重量為600克，直徑為5毫米的鋯珠及重量為600克，直徑為I毫米的鋯珠的混合介質(zhì)同時(shí)放入3升的行星式球磨機(jī)罐內(nèi)，球磨機(jī)的線速度為5米/秒，研磨時(shí)間19小時(shí)，得到含多個(gè)直徑為I~3微米，形狀為橢球狀的碳納米管基團(tuán)的粉體，粉體中碳納米管基團(tuán)的體積含量為50~60%。
[0034]實(shí)施例3
[0035]將體積為300毫升的多壁碳納米管與重量為400克，直徑為I毫米的單一介質(zhì)的鋯珠放入I升的砂磨機(jī)罐內(nèi)，其中砂磨機(jī)的分散盤與筒體的間隙為5毫米，分散盤的線速度為15米/秒，研磨時(shí)間I小時(shí)，得到含多個(gè)直徑為I~3微米，形狀為橢球狀的碳納米管基團(tuán)的粉體，粉體中碳納米管基團(tuán)的體積含量為30~40%，該碳納米管基團(tuán)粉體的顯微掃描圖如圖2所示。
[0036]實(shí)施例4
[0037]將體積為300毫升的多壁碳納米管與重量為400克，直徑為I毫米的單一介質(zhì)的鋯珠放入I升的砂磨機(jī)罐內(nèi)，其中砂磨機(jī)的分散盤與筒體的間隙為5毫米，分散盤線速度為25米/秒，研磨時(shí)間6小時(shí)，得到含多個(gè)直徑為I~3微米，形狀為橢球狀的碳納米管基團(tuán)的粉體，粉體中碳納米管基團(tuán)的體積含量為60~70%。
[0038]實(shí)施例5
[0039]將體積為800毫升的多壁碳納米管放入I升的無介質(zhì)砂磨機(jī)罐內(nèi)，其中砂磨機(jī)的分散盤與筒體的間隙為3毫米，分散盤線速度為50米/秒，研磨時(shí)間3分鐘，得到含多個(gè)直徑為I~3微米，形狀為橢球狀的碳納米管基團(tuán)的粉體，粉體中碳納米管基團(tuán)的體積含量為70 ~80%ο
[0040]實(shí)施例6
[0041]將體積為800毫升的多壁碳納米管放入I升的無介質(zhì)砂磨機(jī)罐內(nèi)，其中砂磨機(jī)的分散盤與筒體的間隙為5毫米，分散盤線速度為50米/秒，研磨時(shí)間10分鐘，得到含多個(gè)直徑為I~3微米，形狀為橢球狀的碳納米管基團(tuán)的粉體，粉體中碳納米管基團(tuán)的體積含量為80~90%ο
[0042]實(shí)施例7
[0043]將多壁碳納米管送入氣流壓力0.8Mpa的氣流粉碎機(jī)中，氣流粉碎機(jī)的進(jìn)料速度為40公斤/小時(shí)；將碳納米管在氣流粉碎機(jī)內(nèi)以，氣流量為10立方米/小時(shí)的高壓氣體進(jìn)行沖擊粉碎0.5小時(shí)，得到含多個(gè)直徑為I~3微米，形狀為橢球狀的碳納米管基團(tuán)的粉體，粉體中碳納米管基團(tuán)的體積含量為40~50%，該碳納米管基團(tuán)粉體的顯微掃描圖如圖3所示。
[0044]實(shí)施例8
[0045]將實(shí)施例1、2、3、4、5、6、7中所制得的碳納米管基團(tuán)分別與溶劑N~甲基吡咯烷酮按5:95的重量比在攪拌容器中相混合，攪拌容器的線速度為5米/秒，勻速攪拌5分鐘，分別制成序號(hào)為1、2、3、4、5、6、7的導(dǎo)電漿料，涂布制備成電極片，然后測其電阻率，并比較阻值大小和分散均勻性，數(shù)據(jù)如表1:[0046]表1
[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種球狀碳納米管基團(tuán)，其特征在于，該球狀碳納米管基團(tuán)是將碳納米管粉體置于旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，通過旋轉(zhuǎn)使無序纏繞的碳納米管團(tuán)聚成有序交織的基團(tuán)而形成，所述基團(tuán)的粒徑為0.1~3微米，形狀為球形或棒形。
2.如權(quán)利要求1所述的球狀碳納米管基團(tuán)，其特征在于，所述球形碳納米管基團(tuán)為圓球形或橢球形。
3.如權(quán)利要求1所述的球狀碳納米管基團(tuán)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)設(shè)備為研磨機(jī)或氣流粉碎機(jī)。
4.如權(quán)利要求3所述的球狀碳納米管基團(tuán)，其特征在于，所述研磨機(jī)為球磨機(jī)或砂磨機(jī)。
5.一種制備權(quán)利要求1所述球狀碳納米管基團(tuán)的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: a、將碳納米管與研磨介質(zhì)按0.1~1:0.1~10的比例置于研磨機(jī)中； b、將納米碳管用有研磨介質(zhì)的研磨機(jī)以2~50米/秒的線速度研磨1分鐘~20小時(shí)，形成由多個(gè)粒徑為0.1~3微米，形狀為球形或棒形的碳納米管基團(tuán)構(gòu)成的粉體。
6.一種制備權(quán)利要求1所述球狀碳納米管基團(tuán)的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: C、將占研磨設(shè)備容積30~90%的碳納米管置于無研磨介質(zhì)的研磨機(jī)中； d、將納米碳管用無研磨介質(zhì)的研磨機(jī)研磨I分鐘~20小時(shí)，所述研磨機(jī)的線速度為5~50米/秒，形成由多個(gè)粒徑為0.1~3微米，形狀為球形或棒形的碳納米管基團(tuán)構(gòu)成的粉體。
7.一種制備權(quán)利要求1所述球狀碳納米管基團(tuán)的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 e、將碳納米管送入氣流粉碎機(jī)，碳納米管的進(jìn)料速度為1~100公斤/小時(shí)，進(jìn)料氣壓為 0.7 ~1.0Mpa ； f、將碳納米管在氣流粉碎機(jī)內(nèi)以2~10立方米/小時(shí)的氣流量的高壓氣體進(jìn)行沖擊粉碎后出料，即得到由多個(gè)粒徑為0.1~3微米，形狀為球形或棒形的碳納米管基團(tuán)構(gòu)成的粉體。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述研磨介質(zhì)為材料及尺寸相同的單一介質(zhì)，或材料及尺寸不同的混合介質(zhì)，其中，所述單一介質(zhì)的粒徑為0.1~50mm。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述研磨介質(zhì)為硅酸鋯珠、二氧化鋯珠、二氧化鋁珠或鋼珠中的一種或幾種的組合。
10.權(quán)利要求1所述的球狀碳納米管基團(tuán)作為鋰電池、高分子材料、涂料、油漆的導(dǎo)電劑、導(dǎo)熱劑的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】B82Y40/00GK103896249SQ201410114240
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】郜天宇, 趙紅娟, 梁穎 申請(qǐng)人:深圳市納米港有限公司