CN100427511C - 碳纳米管基磁性材料在聚合物中分散及定向排列的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纳米管基磁性材料在聚合物中分散及定向排列的方法，包括如下步骤：室温下，先将去离子水与反应单体在150～400转/分钟的转速下搅拌混合，然后加入碳纳米管磁性材料超声分散1小时，然后将反应器放入紫外灯箱或辐射灯箱中，在反应器两边施加磁场，并在反应器中通入惰性气体排掉氧气，加入光引发剂，反应后滤出产物，用去离子水冲洗，在50～100℃下烘干36～48小时，获得均匀分散并定向排列的碳纳米管磁性复合材料，所述的反应单体为甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯腈中的一种或其混合物。采用简单的方法实现了碳纳米管磁性材料在聚合物中较好的分散和复合，有序定向排列，所得复合材料具有更加优异的力学性能、电性能、磁性能等。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚合物碳纳米管磁性复合材料的制备方法，特别是涉及一种碳纳米管基磁性材料在聚合物中的分散及其定向排列的方法。
背景技术
碳纳米管(CNTs)自20世纪90年代初由日本学者Iijima在Nature 354(1991)56上报道以来，立即引起科学界及产业界的极大重视，是近年来国际科学研究的热点。碳纳米管分为多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米管(SWNTs)，由六元环组成的石墨片层结构卷曲而形成的同心圆筒构成。随直径和螺旋性的不同，碳纳米管可呈现金属或半导体特性。碳纳米管具有优异的力学性能，强度比钢高100倍，相对密度只有钢的1/6。此外碳纳米管具有优异的微波吸收特性，可用于电磁屏蔽或吸波材料等。聚合物/碳纳米管复合材料自A.jayan等在Science265(1994)1212首次报道以来已成为世界科学研究的热点。碳纳米管与聚合物的复合可以实现组元材料的优势互补或加强，复合材料表现出更加优异的物理和化学特性，如更好的导电性能、机械性能、光学性能、吸附性能和吸波特性等，具有更广阔的应用前景。
目前关于聚合物碳纳米管复合材料的制备方法主要有物理共混法，原位聚合法以及改进的原位聚合法等。I.Musa等在Syn.Met 102(1999)1250上报道，利用溶液共混的方法，即通过超声手段，将聚(3-辛基噻吩)溶解于氯仿中，再与在己烯中超声分散过的多壁碳纳米管共混，制得聚(3-辛基噻)/CNTs的复合材料。J.Zhaoxin等在Phys Lett 337(2001)43上描述了通过熔体共混的方法合成PMMA/CNTs复合材料。
原位聚合法是一种制备聚合物/碳纳米管复合材料的另一重要方法。该法一般先对碳纳米管进行表面处理，使碳纳米管分散在反应单体中，加入引发剂，利用CNTs表面的官能团参与聚合，或利用引发剂打开CNTs的π键，使其参与聚合而达到与有机相的良好相容性。万梅香等在J Appl Polym Sci 74(1999)2605上报道，通过在碳纳米管上进行原位聚合反应，制备了碳纳米管/聚吡咯(PPy)复合材料，并对其电、磁、热学性能进行了研究。Tang等在Macromolecules 32(1999)2569上描述了利用原位聚合反应制备MWNT/聚苯乙炔复合材料，具有较好的光限幅效应。贾志杰等采用改进原位复合法，分别在J.Tsinghua University(Natural Sciences)40(2000)14、《材料开发与应用》13(1998)22报道制备了PA6/CNTs，PMMA/CNTs复合材料。所谓改进原位复合法，即先让纯的单体聚合一段时间后再加入碳纳米管继续反应。时间的控制既要保证碳纳米管在聚合物中分散均匀，又要尽可能使碳纳米管延迟加入，使得聚合物分子尽可能长大。
物理共混法很难得到分散性良好的CNTs，原位聚合法可以较好的提高CNTs在聚合物基体中的分散性，但CNTs并没有在聚合物基体中实现有序定向的分散。实现CNTs在聚合物中均匀分散同时使其达到定向有序排列的报道至今尚未有探讨。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种碳纳米管基磁性材料在聚合物中分散及定向排列的方法，以弥补现有技术的不足或缺陷，满足生产和某些领域发展的需要。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种碳纳米管基磁性材料在聚合物中分散及定向排列的方法，包括如下步骤：
室温下，先将体积比为：2.5∶1～8∶1的去离子水与反应单体在150～400转/分钟的转速下搅拌混合，然后加入碳纳米管磁性材料超声分散1小时，碳纳米管磁性材料的添加量为单体重量的0.1～15％wt；然后将反应器放入紫外灯箱或辐射灯箱中，在反应器两边施加一强度为200～400Oe的磁场，并在反应器中通入惰性气体保护，待反应器内的氧气排掉后，加入光引发剂引发聚合，反应10～18小时，滤出产物，并用去离子水冲洗，在50～100℃下烘干36～48小时，获得碳纳米管均匀分散并定向排列的聚合物/碳纳米管磁性复合材料，所述的反应单体为甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯腈中的一种或其混合物。
作为优选的技术方案：所述的紫外灯箱或辐射灯箱使用的射线为高能射线，包括紫外线、α射线、β射线、γ射线和X射线中的一种；所述的磁场包括平行板电场、同轴线圈中的一种；所述的磁场强度通过调节电压、磁场与反应器的距离或摆放位置来调整；所述的惰性气体为氮气、氩气或氖气中的一种或其混合物；所述的惰性气体的流量为0.5～2升/分钟；室温温度指的是10～40℃；所述的光引发剂为苯偶姻甲酯或安息香中的一种。
本发明的基本原理是这样的：首先用磁性物质包覆于碳纳米管表面，赋予碳纳米管一定的磁性，然后将所得的碳纳米管磁性材料加入反应单体中进行原位聚合，同时通过在反应器两边施加外磁场，最终使碳纳米管基磁性材料在聚合物中分散并取向排列。其中，碳纳米管基磁性材料是用中国专利(申请号为200510024127.8、200510110183.3)公开的方法制备的。
本发明的有益效果是：首次采用简单的方法实现了碳纳米管磁性材料在聚合物中较好的分散和复合，并同时实现了碳纳米管磁性材料在聚合物基体中的有序定向排列，因此能更加充分的发挥碳纳米管磁性材料的性能，所得的聚合物/碳纳米管复合材料具有更加优异的力学性能、电性能、磁性能等。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细阐述。
实施例1
单体为丙烯腈，单体与去离子水的体积比为1∶3。室温下，先将去离子水与反应单体在250转/分钟的转速下搅拌混合，然后加入单体重量1％wt的碳纳米管基磁性材料超声分散1小时，加入光引发剂苯偶姻甲酯，然后将反应器放入紫外灯箱中，在反应器两边施加一强度为200Oe平行板磁场，调节电压为220V，磁场距离为40cm，并在反应器中通入氮气保护，待把反应器内的氧气排掉后，打开光源引发聚合，反应15小时，滤出产物，并用去离子水冲洗多次，进一步在80℃下烘干40小时，获得聚丙烯腈/碳纳米管磁性复合材料。
根据国标测定，碳纳米管磁性材料在聚丙烯腈中分散良好，碳纳米管磁性材料在聚丙烯腈中取向度为85％。
实施例2
单体为丙烯腈，单体与去离子水的体积比为1∶2.5。室温下，先将去离子水与反应单体在400转/分钟的转速下搅拌混合，然后加入单体重量1％wt的碳纳米管基磁性材料超声分散1小时，加入光引发剂苯偶姻甲酯，在反应器两边施加一强度为400Oe平行板磁场，调节电压为220V，磁场距离为60cm，在反应器中通入氮气保护，然后将反应器放入紫外灯箱中引发聚合，反应10小时，滤出产物，并用去离子水冲洗多次，进一步在50℃下烘干48小时，获得聚丙烯腈/碳纳米管磁性复合材料。
根据国标测定，碳纳米管磁性材料在聚丙烯腈中分散良好，碳纳米管磁性材料在聚丙烯腈中取向度为80％。
实施例3
单体为苯乙烯，单体与去离子水的体积比为1∶8。室温下，先将去离子水与反应单体在150转/分钟的转速下搅拌混合，然后加入单体重量15％wt的碳纳米管基磁性材料超声分散1小时，加入光引发剂安息香，在反应器两边施加一强度为300Oe平行板磁场，调节电压为220V，磁场距离为60cm，在反应器中通入氩气保护，然后将反应器放入γ射线灯箱中引发聚合，反应15～18小时，滤出产物，并用去离子水冲洗多次，进一步在100℃下烘干36小时，获得聚苯乙烯/碳纳米管磁性复合材料。
根据国标测定，碳纳米管磁性材料在聚苯乙烯中分散良好，碳纳米管磁性材料在聚苯乙烯中取向度为78％。
实施例4
单体为甲基丙烯酸甲酯，单体与去离子水的体积比为1∶4。室温下，先将去离子水与反应单体在300转/分钟的转速下搅拌混合，然后加入单体重量1％wt的碳纳米管基磁性材料超声分散1小时，加入光引发剂安息香，在反应器两边施加一强度为250Oe平行板磁场，调节电压为220V，磁场距离为30～50cm，在反应器中通入氖气保护，然后将反应器放入γ射线灯箱中引发聚合，反应15小时，滤出产物，并用去离子水冲洗多次，进一步在80～100下烘干40小时，获得聚甲基丙烯酸甲酯/碳纳米管磁性复合材料。
根据国标测定，碳纳米管磁性材料在聚甲基丙烯酸甲酯中分散良好，碳纳米管磁性材料在聚甲基丙烯酸甲酯中取向度为75％。
Claims (7)
1.碳纳米管基磁性材料在聚合物中分散及定向排列的方法，其特征在于，包括如下步骤：
室温下，先将体积比为：2.5∶1～8∶1的去离子水与反应单体在150～400转/分钟的转速下搅拌混合，然后加入碳纳米管磁性材料超声分散1小时，碳纳米管磁性材料的添加量为单体重量的0.1～15％wt；然后将反应器放入辐射灯箱中，在反应器两边施加一强度为200～400 Oe的磁场，并在反应器中通入惰性气体保护，待反应器内的氧气排掉后，加入光引发剂引发聚合，反应10～18小时，滤出产物，并用去离子水冲洗，在50～100℃下烘干36～48小时，获得碳纳米管均匀分散并定向排列的聚合物/碳纳米管磁性复合材料，所述的反应单体为甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯腈中的一种或其混合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的辐射灯箱为紫外灯箱。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的辐射灯箱使用的射线为高能射线，选自紫外线、α射线、β射线、γ射线和X射线中的一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的磁场包括平行板电场、同轴线圈中的一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的磁场强度通过调节电压、磁场与反应器的距离或摆放位置来调整。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的惰性气体为氮气、氩气或氖气中的一种或其混合物；其流量为0.5～2升/分钟。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的光引发剂为苯偶姻甲酯或安息香中的一种。
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