CN102153862A - 一种聚苯胺/碳纳米管复合电磁屏蔽材料的制备方法 - Google Patents

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本发明公开了一种聚苯胺/碳纳米管复合电磁屏蔽材料的制备方法,其包括步骤(a)碳纳米管羧基化:低温下,向碳纳米管和NaNO3的混合物中加入浓H2SO4,搅拌均匀,升温加KMnO4,最后加H2O2溶液,后处理得到羧基化的碳纳米管;(b)聚苯胺/碳纳米管复合屏蔽材料的制备。本发明制备了聚苯胺/碳纳米管复合电磁屏蔽材料,该材料表面由毛刺状粗糙表面的聚苯胺纳米纤维所组成。聚苯胺/碳纳米管复合材料具有较大的电磁波反射截面,能有效地提高电磁波屏蔽性能,其在8~12GHz微波频段内具有良好的电磁屏蔽性能,可作为优良的电磁屏蔽材料。

Description

一种聚苯胺/碳纳米管复合电磁屏蔽材料的制备方法
 
技术领域
本发明涉及一种聚苯胺/碳纳米管复合电磁屏蔽材料的制备方法。
背景技术
已知聚苯胺是一种优良的电磁屏蔽材料,纳米碳管是8.0~18.0 GHz微波频段内的优良的电磁波吸收材料,由导电聚苯胺包覆碳纳米管组成的复合材料不仅具有良好的机械强度和易加工性能,而且由于两者界面处的协同效应使之可能拥有比单一的导电聚苯胺或碳纳米管更优越的电磁屏蔽性能,因此在电磁屏蔽(EMI)领域有广阔的应用前景。中国专利(200610117325.3)中涉及“多壁纳米碳管/聚苯胺导电复合材料的制备方法”的特点是利用纳米碳管为模板,先用浓硝酸和浓硫酸对碳纳米管进行处理,再利用原位聚合使苯胺在碳纳米管上聚合,但是该法碳纳米管羧基化不均匀,所制备聚苯胺/碳纳米管复合材料表面比较光滑,从而影响该材料的电磁屏蔽性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较大反射截面的特殊形貌的聚苯胺/碳纳米管复合电磁屏蔽材料以及该具有特殊形貌的复合电磁屏蔽材料的制备方法。本发明制备的聚苯胺和碳纳米管的复合材料具有特殊形貌的聚苯胺纳米结构,该材料具有较大的电磁波反射截面,因此能有效地增加电磁波屏蔽性能。
本发明的聚苯胺/碳纳米管复合电磁屏蔽材料的制备方法,其包括下述步骤:
(a)碳纳米管羧基化:在-10~10°C下,向碳纳米管和NaNO3的混合物中加入浓H2SO4,搅拌均匀,升温至30~40°C加入KMnO4,搅拌1~3h后加水并升温至80~100°C再搅拌1~3h;最后加H2O2溶液,搅拌混匀后冷却,蒸馏水离心洗涤至中性,真空干燥,得到羧基化的碳纳米管;
(b)取羧基化的碳纳米管加入盐酸溶液中,分散均匀后将苯胺单体加入到盐酸溶液中,分散均匀;将过硫酸铵的盐酸溶液滴加到反应液中,反应温度控制在-5~5°C,滴加完毕后,继续搅拌1~2h,静置;
(c)最后将(b)得到的产物抽滤,用蒸馏水和乙醇洗涤至滤液为无色,真空干燥,
得到聚苯胺和碳纳米管的复合材料。
所述步骤(a)中碳纳米管的质量(g):NaNO3的质量(g):浓硫酸的体积(ml):KMnO4的质量(g)=1:0.2-3:20-80:2-10。
所述步骤(b)中碳纳米管的质量(g):苯胺的质量(g):过硫酸铵的质量(g)=1:1-6:1-12。
所述步骤(c)中制备的聚苯胺和碳纳米管复合材料具有特殊的形貌结构,即碳纳米管表面由毛刺状粗糙表面的聚苯胺纳米纤维所组成。
经过羧基化表面修饰的碳纳米管能够很好的分散在盐酸溶液中,在较低的温度和适量的引发剂过硫酸铵作用下,苯胺在修饰的碳纳米管表面易缓慢聚合,得到高分子量的聚苯胺纳米纤维,这种特殊形貌的聚苯胺纳米结构具有较大的电磁波反射截面,能有效地提高电磁波屏蔽性能,增大材料的总屏蔽效能值。按本发明提供的方法制备的聚苯胺/碳纳米管复合材料在8~12GHz微波频段内具有良好的电磁波屏蔽性能,因此可作为优良的电磁波屏蔽材料。
附图说明
图1为羧基化的碳纳米管透射电镜(TEM)图;
图2为采用未经处理的碳纳米管制备的聚苯胺/碳纳米管复合材料的扫描电镜图(SEM);
图3为本发明制备的聚苯胺/碳纳米管复合材料的扫描电镜图(SEM);
图4为采用未经处理的碳纳米管制备的聚苯胺/碳纳米管复合材料的电磁波R-F曲线;
图5为本发明制备的聚苯胺/碳纳米管复合材料的电磁波R-F曲线。
具体实施方式
实施例1
(a) 碳纳米管羧基化:将0.5g的碳纳米管和0.5g的NaNO3分别放入250ml三口烧瓶中,在0°C和磁搅拌条件下缓慢加入20ml浓H2SO4,搅拌15min后在35°C水浴中缓慢加入3.0gKMnO4,继续搅拌2h;然后缓慢加入40ml水,在90°C水浴中再搅拌1h;最后加入100ml水和3ml 30%的H2O2混合均匀后冷却至室温;用蒸馏水离心洗涤至中性,在60°C真空干燥箱干燥,即得到羧基化的碳纳米管,如图1所示羧基化的碳纳米管TEM图;
(b) 取0.1g羧基化的碳纳米管加入40ml盐酸溶液中,超声分散1小时;然后将0.32g的苯胺单体加入到盐酸溶液中,超声分散2小时;再取0.75g的过硫酸铵溶解在20 ml盐酸溶液中,混合均匀后在磁搅拌条件下缓慢滴加到反应液中,反应温度控制在0°C,滴加时间控制在1小时,滴加完毕后,继续磁搅拌2小时,接着静置24小时。
(c) 最后将得到的产物抽滤,分别用蒸馏水和乙醇洗涤直至滤液为无色,然后在60°C真空干燥箱中干燥24小时,得到聚苯胺和碳纳米管复合材料,如图3所示聚苯胺/碳纳米管复合材料的SEM图以及图5所示聚苯胺/碳纳米管复合材料的电磁波R-F曲线。
实施例2
(a) 碳纳米管羧基化:将0.5g的碳纳米管和1.0g的NaNO3分别放入250ml三口烧瓶中,在0°C和磁搅拌条件下缓慢加入30ml浓H2SO4,搅拌15min后在30°C水浴中缓慢加入3.5gKMnO4,继续搅拌2h;然后缓慢加入40ml水,在90°C水浴中再搅拌1h;最后加入100ml水和3ml 30%的H2O2混合均匀后冷却至室温;用蒸馏水离心洗涤至中性,在60°C真空干燥箱干燥,即得到羧基化的碳纳米管;
(b) 取0.1g羧基化的碳纳米管加入40ml盐酸溶液中,超声分散1小时;然后将0.5g的苯胺单体加入到盐酸溶液中,超声分散2小时;再取0.8g的过硫酸铵溶解在20 ml盐酸溶液中,混合均匀后在磁搅拌条件下缓慢滴加到反应液中,反应温度控制在0°C,滴加时间控制在1小时,滴加完毕后,继续磁搅拌2小时,接着静置24小时。
(c) 最后将得到的产物抽滤,分别用蒸馏水和乙醇洗涤直至滤液为无色,然后在60°C真空干燥箱中干燥24小时,得到聚苯胺和碳纳米管复合材料。
 
实施例3
(a) 碳纳米管羧基化:将0.5g的碳纳米管和0.3g的NaNO3分别放入250ml三口烧瓶中,在5°C和磁搅拌条件下缓慢加入20ml浓H2SO4,搅拌15min后在40°C水浴中缓慢加入2.0gKMnO4,继续搅拌2h;然后缓慢加入40ml水,在90°C水浴中再搅拌1h;最后加入100ml水和3ml 30%的H2O2混合均匀后冷却至室温;用蒸馏水离心洗涤至中性,在60°C真空干燥箱干燥,即得到羧基化的碳纳米管;
(b) 取0.1g羧基化的碳纳米管加入40ml盐酸溶液中,超声分散1小时;然后将0.6g的苯胺单体加入到盐酸溶液中,超声分散2小时;再取1g的过硫酸铵溶解在20 ml盐酸溶液中,混合均匀后在磁搅拌条件下缓慢滴加到反应液中,反应温度控制在0°C,滴加时间控制在1小时,滴加完毕后,继续磁搅拌2小时,接着静置24小时。
(c) 最后将得到的产物抽滤,分别用蒸馏水和乙醇洗涤直至滤液为无色,然后在60°C真空干燥箱中干燥24小时,得到聚苯胺和碳纳米管复合材料。
实施例4
(a) 碳纳米管羧基化:将0.5g的碳纳米管和0.3g的NaNO3分别放入250ml三口烧瓶中,在5°C和磁搅拌条件下缓慢加入20ml浓H2SO4,搅拌15min后在40°C水浴中缓慢加入2.5gKMnO4,继续搅拌2h;然后缓慢加入40ml水,在90°C水浴中再搅拌1h;最后加入100ml水和3ml 30%的H2O2混合均匀后冷却至室温;用蒸馏水离心洗涤至中性,在60°C真空干燥箱干燥,即得到羧基化的碳纳米管;
(b) 取0.1g羧基化的碳纳米管加入40ml盐酸溶液中,超声分散1小时;然后将0.2g的苯胺单体加入到盐酸溶液中,超声分散2小时;再取1.2g的过硫酸铵溶解在20 ml盐酸溶液中,混合均匀后在磁搅拌条件下缓慢滴加到反应液中,反应温度控制在0°C,滴加时间控制在1小时,滴加完毕后,继续磁搅拌2小时,接着静置24小时。
(c) 最后将得到的产物抽滤,分别用蒸馏水和乙醇洗涤直至滤液为无色,然后在60°C真空干燥箱中干燥24小时,得到聚苯胺和碳纳米管复合材料。
对比实例
(a)取0.1g原始碳纳米管加入40ml盐酸溶液中,超声分散1小时;然后将
0.32g的苯胺单体加入到盐酸溶液中,超声分散2小时;再取0.75g的过硫酸氨溶解在20ml盐酸溶液中,混合均匀后在磁搅拌条件下缓慢滴加到反应液中,反应温度控制在0°C,滴加时间控制在1小时,滴加完毕后,继续磁搅拌2小时,接着静置24小时。
(b)最后将得到的产物抽滤,分别用蒸馏水和乙醇洗涤直至滤液为无色,然后在60°C真空干燥箱中干燥24小时,得到聚苯胺和碳纳米管复合材料,如图2所示未经处理的碳纳米管制备的聚苯胺/碳纳米管复合材料的SEM图以及图4所示未经处理的碳纳米管制备的聚苯胺/碳纳米管复合材料的电磁波R-F曲线。
如图3所示,本发明制备的聚苯胺/碳纳米管复合材料通过SEM图,发现碳纳米管被聚苯胺纳米纤维均匀包裹,纤维长度在20-50nm。聚苯胺/碳纳米管复合材料和石蜡按照一定比例放在模具中,通过矢量网络分析仪测试其微波吸收性能,比较附图4和附图5,结果表明,经过处理的聚苯胺/碳纳米管复合材料有效的提高了电磁波屏蔽性能。本发明制备的碳纳米管表面被聚苯胺纳米纤维所包裹,形成具有毛刺状粗糙表面的聚苯胺复合材料(图3),与光滑表面的聚苯胺复合材料(图2)相比,该材料具有较大的电磁波反射截面,因此能有效地提高电磁波屏蔽性能。

Claims (3)

1.一种聚苯胺/碳纳米管复合电磁屏蔽材料的制备方法,其包括下述步骤:
碳纳米管羧基化:在-10~10 °C下,向碳纳米管和NaNO3的混合物中加入浓H2SO4,搅拌均匀,升温至30~40 °C加入KMnO4,搅拌1~3 h后加水并升温至80~100°C再搅拌1~3h;最后加H2O2溶液,搅拌混匀后冷却,蒸馏水离心洗涤至中性,真空干燥,得到羧基化的碳纳米管;
取羧基化的碳纳米管加入盐酸溶液中,分散均匀后将苯胺单体加入到盐酸溶液中,分散均匀;将过硫酸铵的盐酸溶液滴加到反应液中,反应温度控制在-5~5 °C,滴加完毕后,继续搅拌1~2 h,静置;
最后将(b)得到的产物抽滤,用蒸馏水和乙醇洗涤至滤液为无色,真空干燥,得到聚苯胺和碳纳米管的复合材料。
2.根据权利要求1所述的聚苯胺/碳纳米管复合电磁屏蔽材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(a)中碳纳米管的质量(g):NaNO3的质量(g):浓硫酸的体积(mL):KMnO4的质量(g)=1:0.2-3:20-80:2-10。
3.根据权利要求1所述的聚苯胺/碳纳米管复合电磁屏蔽材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(b)中碳纳米管的质量(g):苯胺的质量(g):过硫酸铵的质量(g)=1:1-6:1-12。
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