CN101407321A - 一种碳纳米管功能基化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纳米管功能基化的方法，其步骤是：(1)将称重的CNTs置于等离子体沉积炉中，抽真空后通入氩气，调腔室压力至13.3Pa；(2)功率50W下放电，通大气后取出CNTs；(3)按比例依次将CNTs、马来酸酐和苯类溶剂放入烧瓶中，超声分散，通入氮气保护，于60～130℃下搅拌回流5～10h(4)真空抽滤，丙酮洗涤至纯净，80℃真空干燥，即完成功能基化的CNTs。本发明通过等离子体诱导接枝技术改善CNTs与马来酸酐的相容性，获得了接枝率高达12.8％的改性CNTs，原料易得，操作简单。

Description

一种碳纳米管功能基化的方法
技术领域
本发明涉及碳材料技术领域，更具体的说是涉及一种碳纳米管功能基化的方法。
背景技术
碳纳米管(CNTs)以其纳米级直径、高长径比而具有优异的力学、电学、热学、磁学等性能，因而可应用于电子、航天等高科技领域。然而，由于CNTs极差的相容性和分散性使其易产生自缠绕和团聚现象，使得其在实际应用中并不能充分发挥作用。为此，人们提出通过对CNTs改性的方法提高其在基体中的相容性和分散性。目前可用于CNTs功能基化的方法主要有：直接氟化反应、酸化反应、卡宾加成、自由基反应、电化学反应或热化学反应、环加成反应、叠氮反应和亲电加成反应等。但上述方法均不同程度存在反应步骤繁琐、反应周期长、成本高、环保性能差、功能基化程度低、对CNTs的固有结构有较大的破坏且不适合大规模工业生产等问题。马来酸酐是一种含有多种官能团的化合物，分子结构中的不饱和双键易于发生共聚反应，活性强的酸酐基团容易与羟基、羧基、氨基等官能团发生开环加成反应，马来酸酐接枝相容剂作为无机填料表面处理剂可以提高无机填料和有机树脂的粘合力，改善无机填料与有机树脂相容性，从而提高复合材料的机械强度、韧性、耐热性和导电性，因此马来酸酐是功能化CNTs的优良试剂。2007年，Tseng等建立了通过直接注入马来酸酐单体溶液进行等离子体功能化CNTs的方法，该方法简单、易行、但却存在接枝率低(最高仅为6.4％)且难以控制等问题，而难以最大程度发挥CNTs的作用。因此开发一种方法简单、经济、环保、不破坏CNTs的固有结构、功能基化程度高的CNTs功能基化方法具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种简单、经济、环保、不破坏碳纳米管固有结构、功能基化程度高的碳纳米管功能基化的方法。
本发明技术方案：一种碳纳米管功能基化的方法，包括下列步骤：
a.将质量0.2g碳纳米管置于等离子体沉积炉中，抽本底真空至6.5×10-4Pa后，通入高纯氩气，调节腔室压力为13.3Pa；
b.于功率50W下放电处理5min，通大气15min，取出碳纳米管；
c.在容器中，依次加入经步骤b处理的0.2g碳纳米管、4.0g的马来酸酐和100mL苯类溶剂，超声分散30min后通入氮气保护，于60～130℃下搅拌回流5～10h；
d.步骤c所得固体产物真空抽滤，并用丙酮洗涤6次直至纯净，于80℃下真空干燥6h，即完成对碳纳米管的功能基化。
本发明的技术效果：本发明从原理上讲是用氩等离子体处理CNTs，让其暴露于空气中，使其表面产生大量的羟基过氧化物和过氧化物，引发马来酸酐在CNTs表面接枝改性的方法。该法与直接氟化反应、酸化反应、卡宾加成、自由基反应、电化学反应等CNTs功能基化方法的主要区别在于在碳纳米管的表面引入大量含氧自由基团。为获得包覆均匀、接枝率高的CNTs，可采用先等离子体处理后热引发诱导接枝的两步功能化方法。等离子体处理在CNTs表面形成含氧自由基，提高其与马来酸酐的相容性；热引发诱导接枝过程中，筛选适宜的接枝条件使CNTs表面进一步为更多的马来酸酐分子所包覆，随着反应的进行接枝反应完成，最终形成表面包覆均匀的功能基化碳纳米管。CNTs表面的含氧自由基在热引发诱导接枝条件下可极大提高其与马来酸酐的相容性，从而获得高度功能基化的CNTs。具体而言：一、本发明通过氩等离子体作用下CNTs表面形成的自由基，极大提高了其与马来酸酐的相容性；二、本发明可获得表面包覆均匀、接枝率高达12.8％的功能基化碳纳米管；三、本发明原料易得，操作简单，仪器设备简便，接枝率高且易控，处理方便，易于工业化，为CNTs的表面改性、解缠绕和解聚集提供了新的途径。
附图说明
图1为本发明实施例1的产物的透射电镜照片；
图2为本发明实施例1的产物的红外光谱；
图3为本发明实施例1的产物的热重分析图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细描述，一种碳纳米管功能基化的方法，包括下列步骤：
a.将质量0.2g碳纳米管置于等离子体沉积炉中，抽本底真空至6.5×10-4Pa后，通入高纯氩气，调节腔室压力为13.3Pa；
b.于功率50W下放电处理5min，通大气15min，取出碳纳米管；
c.在容器中，依次加入经步骤b处理的0.2g碳纳米管、4.0g的马来酸酐和100mL苯类溶剂，超声分散30min后通入氮气保护，于60～130℃下搅拌回流5～10h；
d.步骤c所得固体产物真空抽滤，并用丙酮洗涤6次直至纯净，于80℃下真空干燥6h，即完成对碳纳米管的功能基化。
实施例1
(1)将质量0.2000g的CNTs置于等离子体沉积炉中，抽本底真空至6.5×10-4Pa后，通入高纯氩气，调节腔室压力为13.3Pa。
(2)于功率50W下放电处理5分钟，通大气15分钟，取出CNTs
(3)于一250mL三口圆底烧瓶中，依次加入步骤(2)所得CNTs、4.00g的马来酸酐和100mL的二甲苯，超声分散30min后，通入氮气保护，于110℃下搅拌回流10h。
(4)将步骤(3)所得固体产物真空抽滤，并用丙酮洗涤6次直至纯净，于80℃下真空干燥6h，即获得本发明的产品。
通过透射电子显微镜、红外光谱仪、热重分析仪等表征产物的形貌、结构组成及接枝率。透射电镜结果表明，直径约20nm的碳纳米管表面均匀包覆了一层厚度为50nm的马来酸酐；红外光谱中明显在1780和1870cm-1波数处可观察到马来酸酐的特征吸收峰；热重计算所得接枝率为12.8％。
实施例2
步骤(3)中，反应温度为80℃，其他条件和步骤与实施例1完全相同，所得产物的接枝率为2.67％。
实施例3
步骤(3)中，反应温度为130℃，其他条件和步骤与实施例1完全相同，所得产物的接枝率为2.85％。
实施例4
步骤(3)中，反应温度为60℃，其他条件和步骤与实施例1完全相同，所得产物的接枝率为0.45％。
实施例5
步骤(3)中，反应时间为5h，其他条件和步骤与实施例1完全相同，所得产物的接枝率为8.14％。
所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围

Claims (1)

1.一种碳纳米管功能基化的方法，包括下列步骤：
a.将质量0.2g碳纳米管置于等离子体沉积炉中，抽本底真空至6.5×10-4Pa后，通入高纯氩气，调节腔室压力为13.3Pa；
b.于功率50W下放电处理5min，通大气15min，取出碳纳米管；
c.在容器中，依次加入经步骤b处理的0.2g碳纳米管、4.0g的马来酸酐和100mL苯类溶剂，超声分散30min后通入氮气保护，于60～130℃下搅拌回流5～10h；
d.步骤c所得固体产物真空抽滤，并用丙酮洗涤6次直至纯净，于80℃下真空干燥6h，即完成对碳纳米管的功能基化。
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