CN101531822A - 一种聚合物碳纳米管复合结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚合物碳纳米管复合结构及其制备方法，该结构类似聚合物剪切场下形成的shish－kebab晶，制备方法为：将碳纳米管按0.01～0.1wt％的质量分数加入到有机溶剂中超声分散形成碳纳米管悬浮液；将聚合物按0.01～10wt％的质量分数加入到有机溶剂中并升温使所述聚合物溶解得到聚合物溶液；将所述碳纳米管悬浮液滴加到所述聚合物溶液中形成混合溶液，并恒温10分钟；将所述混合溶液缓慢降温至室温，过滤得到所述聚合物碳纳米管复合结构。本发明能提高碳纳米管在聚合物基体以及溶剂中的分散性，从而使碳纳米管容易进一步加工处理。此外本发明还可用于其他纳米管、纳米线的改性，如无机TiO2纳米管、PET纤维等。
Description
技术领域
本发明属于碳纳米管表面处理及碳纳米管/聚合物复合材料制备技术领域，具体涉及一种在聚合物基体及溶剂中具有良好分散性的聚合物碳纳米管复合结构及其制备方法。
背景技术
碳纳米管具有超强的力学性能、极大的长径比、良好的电学性能、很高的化学和热稳定性等，在纳米器件、微电子、结构和功能复合材料等领域有着重要的应用前景。但由于其极小的尺寸，碳管束的剥离、在基体相中的良好分散以及界面结合是制备纳米碳管复合材料的瓶颈所在。因此，功能化碳纳米管的可控修饰方法以及功能化单元对保证碳纳米管在聚合物中的良好分散和界面结合性能具有重要的应用价值。
目前碳纳米管的功能化研究方向主要有化学改性和物理改性两种。化学改性方法是将功能化基团直接键接到碳管表面或是碳管表面的缺陷位置，也可通过原位聚合反应在纳米碳管的表面包裹一层聚合物膜，化学改性法在一定程度上破坏了碳管的结构，是以削弱碳管的力学和电学性能为代价的。物理改性方法则是采用表面活性剂、齐聚物和聚合物等对碳纳米管进行物理吸附改性，以增强其可溶性，但由于非共价键作用力较弱，其产物往往不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的聚合物碳纳米管复合结构，经处理后所述聚合物以半结晶形式均匀分散于所述碳纳米管中，能很大程度地提高碳纳米管在聚合物基体以及溶剂中的分散性，在保持碳纳米管原有的力学和电学性能的前提下具有很好的稳定性。所述聚合物的片晶从单根碳纳米管表面垂直外延生长而出，且在碳纳米管上按一定周期排布，其结构类似于聚合物在剪切场下形成的串晶结构(shish-kebab晶)。
本发明的另一目的是提供一种使用聚合物与碳纳米管制备上述复合结构的方法，该方法包括如下步骤和条件：
(1)将碳纳米管按0.01～0.1wt％的质量分数加入到有机溶剂中，超声分散1～4小时，得到碳纳米管悬浮液滴；
(2)将聚合物按0.01～10wt％的质量分数加入到与步骤1)相同的有机溶剂中，升温到聚合物熔点，待聚合物溶解得到聚合物溶液；
(3)将碳纳米管悬浮液滴加到聚合物溶液中得到混合溶液，恒温10分钟；将上述混合溶液缓慢降温至室温，过滤得到产物。
上述方法中步骤1)所述的碳纳米管为单壁碳纳米管或者多壁碳纳米管；步骤1)、2)所述的有机溶剂为邻二氯苯、环己烷、对二甲苯、二甲基亚砜中的一种；步骤2)所述的聚合物为聚乙烯、聚乙烯醇、聚对苯二甲酸丁二醇酯、尼龙6，6等结晶聚合物。
附图说明
图1是聚乙烯/单壁碳纳米管复合结构的SEM分析图谱；
图2是静置3个月后未处理的单壁碳纳米管与聚乙烯/单壁碳纳米管复合结构在对二甲苯中的分散对比图；
图3是聚对苯二甲酸丁二醇酯/多壁碳纳米管复合结构TEM分析图谱；
图4是聚丙烯/多壁碳纳米管复合结构HR-TEM分析图谱。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
称取1mg单壁碳纳米管加入到装有3ml邻二氯苯的试管中，超声处理3h；同时称取2mg高密度聚乙烯加入到装有10ml邻二氯苯的试管中，置于温度设定为140℃的恒温油浴中溶解；将超声处理后的单壁碳纳米管悬浮液加入到聚乙烯溶液中，在140℃下恒温10min；取出混合溶液，让其自然降温至室温；过滤干燥即获得固体产物。聚乙烯/单壁碳纳米管复合结构SEM分析图谱如图1所示。
从图1可看出：聚乙烯片晶在单壁碳纳米管表面形成周期排布，完全包裹碳纳米管，并且碳纳米管彼此分离。
聚乙烯/单壁碳纳米管复合结构在对二甲苯中分散，静置3个月后的分散对比图如图2所示，其中左侧为未处理的单壁碳纳米管；右侧为聚乙烯/单壁碳纳米管复合结构的分散；从图2可以看出：在对二甲苯中静置3个月后，聚乙烯/单壁碳纳米管复合结构仍保持很好的分散性，而未处理的单壁碳纳米管则分散性很差。
实施例2
称取1mg多壁碳纳米管加入到装有3ml二甲亚砜的试管中，超声处理3h；同时称取2mg聚对苯二甲酸丁二醇酯加入到装有10ml二甲亚砜的试管中，置于温度设定为240℃的恒温油浴中溶解；将超声处理后的多壁碳纳米管悬浮液加入到聚对苯二甲酸丁二醇酯溶液中，在240℃下恒温10min；取出混合溶液，让其自然降温至室温；过滤干燥即获得固体产物。
聚对苯二甲酸丁二醇酯/多壁碳纳米管复合结构TEM分析图谱如图3所示，从图3可以看出：多壁碳纳米管表面包裹一层聚对苯二甲酸丁二醇酯，其在二甲苯中同样具有很好的分散性。
实施例3
称取1mg多壁碳纳米管加入到装有3ml邻二氯苯的试管中，超声处理3h；同时称取2mg聚丙烯加入到装有10ml邻二氯苯的试管中，置于温度设定为180℃的恒温油浴中溶解；将超声处理后的多壁碳纳米管悬浮液加入到聚丙烯溶液中，在180℃下恒温10min；取出混合溶液，让其自然降温至室温；过滤干燥即获得固体产物。
聚丙烯/多壁碳纳米管复合结构HR-TEM分析图谱如图4所示，从图4可以看出：多壁碳纳米管表面包裹一层聚丙烯，其在对二甲苯中具有很好的分散性。
Claims (5)
1、一种聚合物碳纳米管复合结构，其特征在于，所述聚合物的片晶从单根碳纳米管表面垂直外延生长而出，且在所述碳纳米管上按一定周期排布；所述复合结构类似于一般聚合物在剪切场下形成的串晶结构。
2、一种如权利要求1所述的聚合物碳纳米管复合结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将碳纳米管按0.01～0.1wt％的质量分数加入到有机溶剂中，超声分散1～4小时，形成碳纳米管悬浮液；
(2)将聚合物按0.01～10wt％的质量分数加入到与步骤(1)相同的有机溶剂中，升温使所述聚合物溶解得到聚合物溶液；
(3)将所述碳纳米管悬浮液滴加到所述聚合物溶液中形成混合溶液，并在步骤(2)所处温度恒温10分钟；
(4)将所述混合溶液缓慢降温至室温，过滤得到所述聚合物碳纳米管复合结构。
3、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述的碳纳米管为单壁碳纳米管或者多壁碳纳米管。
4、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为邻二氯苯、环己烷、对二甲苯及二甲基亚砜中的一种。
5、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述的聚合物为聚乙烯、聚乙烯醇、聚对苯二甲酸丁二醇酯或尼龙6，6的结晶聚合物。
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