CN102167912A - 改善碳纳米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米材料，具体地是涉及一种改善碳纳米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，属纳米材料技术领域。本发明利用酸和碱依次处理碳纳米管，制备高度溶于水的碳纳米管，直接将水溶性的聚合物在碳纳米管水溶液中溶胀或溶解，可以得到分散性良好的碳纳米管/聚合物溶液。本发明具有如下的有益效果：(1)操作简单，参数易控，可大批量生产；(2)分散过程重复性强，分散液中碳纳米管溶解度高；(3)不破坏碳纳米管原有结构，不引入其他化合物，不影响聚合物的原有性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米材料，具体地是涉及一种改善碳纳米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，属纳米材料技术领域。
背景技术
水溶性聚合物是精细化工的支柱产品之一，在食品、医疗、环保等领域具有重要的应用前景。由于聚合物强度不够高，或者电、磁性能达不到要求，有必要对其进行增强改性。碳纳米管具有极高的强度和韧性，结构稳定，并且兼具特殊的电、磁性能，是一种优良的添加剂，广泛应用于金属、聚合物等复合材料领域。由于碳纳米管比表面能高，具有很强的团聚趋向，在制备复合材料时容易形成团聚体，不能在水及水溶性聚合物中良好分散，从而影响复合材料性能。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利“水分散性多壁碳纳米管的制备方法”(申请号：200710188576.5，公开号：CN 101440228A)，介绍了一种制备水溶性碳纳米管的方法，该专利自述为“首先经过浓硝酸处理，然后与NaOH或KOH碱性溶液反应转化为多壁碳纳米管羧酸盐，最后进一步用十六烷基三甲基溴化铵或苄基三乙基溴化铵阳离子表面活性剂处理”，利用该方法可以得到水分散多壁碳纳米管，但其所述的水溶液需要使用阳离子表面活性剂，表面活性剂的存在会影响碳纳米管分散液的应用。中国专利“多壁碳纳米管复合材料的制备方法”(申请号：200710308592.3，公开号：CN 101469141A)，该方法将含有甲基丙烯酸酯基官能团的离子液体在碳纳米管表面发生聚合反应，形成聚电解质包覆的碳纳米管，利用亲水离子改善碳纳米管在水中的分散性，但需要进行聚合反应，步骤较为复杂。中国专利“增强聚合物”(申请号：200710170375.2，公开号：CN101230145A)介绍了制备碳纳米管增强水溶性聚合物的方法，但没有说明碳纳米管是如何进行有效分散的。因此，如何将碳纳米管均匀弥散地分散在水及水溶性聚合物中，是碳纳米管应用中的重要问题，至今没有很好的解决办法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足之处，提供一种改善碳纳米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法。本发明利用酸和碱依次处理碳纳米管，制备高度溶于水的碳纳米管，直接将水溶性的聚合物在碳纳米管水溶液中溶胀或溶解，可以得到分散性良好的碳纳米管/聚合物溶液。
本发明是以如下技术方案实现的：一种改善碳纳米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，其特征是：该方法包括如下步骤：
步骤一，高温退火提纯碳纳米管；
步骤二，采用强酸处理退火后的碳纳米管；
步骤三，采用强碱处理酸化后的碳纳米管，得到高度溶于水的碳纳米管；
步骤四，将水溶性聚合物在酸碱处理后的碳纳米管水溶液中溶胀或溶解，得到分散性改善的碳纳米管/聚合物溶液。
步骤一中，所述的高温退火是在真空，或氮气、氩气惰性气体氛围中。
步骤一中，所述的碳纳米管为多壁碳纳米管，其制备方法可以是以下方法中的任意一种：电弧放电法，激光蒸发法，化学气相沉积法。
步骤二中，所述的强酸为硫酸和硝酸中的一种或两种混合。
步骤三中，所述的强碱为氢氧化钠和氢氧化钾中的一种。
步骤四中，所述的水溶性聚合物为以下任意一种：聚乙烯醇，聚丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚乙二醇，聚氧化乙烯，聚马来酸，水溶性聚氨酯树脂，纤维素醚，聚乙烯基吡咯烷酮。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：(1)操作简单，参数易控，可大批量生产；(2)分散过程重复性强，分散液中碳纳米管溶解度高；(3)不破坏碳纳米管原有结构，不引入其他化合物，不影响聚合物的原有性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明：
本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：
实施例1、
步骤一，高温真空退火提纯碳纳米管：具体退火条件为：本底真空度8×10-4Pa，温度1600℃，时间3h；
步骤二，混酸处理退火后的碳纳米管：将3g退火后的碳纳米管置于300ml高浓度混酸里(H2SO4∶HNO3＝1∶3)，将混合液在搅拌器上常温搅拌30min，再放于超声槽中超声30min。然后将溶液接入回流装置于90℃搅拌回流30min。将所得产物用3000rpm离心机进行离心分离，多次离心至溶液PH值为7。将离心产物用1.2μm孔径的聚酯膜抽滤，最后在90℃烘干，得到酸化碳纳米管；
步骤三，用氢氧化钠处理酸化后的碳纳米管：将2g酸化碳纳米管放入200ml质量分数为40％的氢氧化钠溶液中于90℃搅拌5h，将溶液过滤水洗至PH值为7。然后在90℃烘干，得到高度溶于水的碳纳米管，碳纳米管粉末的表面形貌如附图所示；
步骤四，将0.5g酸碱依次处理的碳纳米管溶于100ml去离子水，超声30min，得到分散性良好的碳纳米管水溶液，将15g聚乙烯醇粉末放入碳纳米管水溶液中溶胀30min，超声15min，然后在90℃搅拌6h得到分散均匀的碳纳米管/聚乙烯醇溶液。
实施例2、
步骤一，氮气保护下高温退火提纯碳纳米管：具体退火条件为：本底真空度1×10-5Pa，充入高纯氮气至压强为2×10-2Pa，温度2000℃，时间4.5h；
步骤二，硫酸处理退火后的碳纳米管：将5g退火后的碳纳米管置于500ml高浓度硫酸里，将混合液常温搅拌15min，再放于超声槽中超声40min。然后将溶液接入回流装置于90℃搅拌回流30min。将所得产物用4000rpm离心机进行离心分离，多次离心至溶液PH值为7。将离心产物用1.2μm孔径的聚酯膜抽滤，最后在75℃烘干，得到酸化碳纳米管；
步骤三，用氢氧化钾处理酸化后的碳纳米管：将4g酸化碳纳米管放入400ml质量分数为30％的氢氧化钾溶液中于90℃搅拌6h，将溶液过滤水洗至PH值为7。然后在75℃烘干，得到高度溶于水的碳纳米管；
步骤四，将1g酸碱依次处理的碳纳米管溶于1000ml去离子水，超声30min，得到分散性良好的碳纳米管水溶液。将0.5g聚氧化乙烯粉末缓慢放入碳纳米管水溶液中溶胀45min，100rpm转速搅拌溶解5h，得到分散均匀的碳纳米管/聚氧化乙烯溶液。
实施例3、
步骤一，氩气保护下高温退火提纯碳纳米管：具体退火条件为：本底真空度1×10-6Pa，充入高纯氩气至压强为5×10-2Pa，温度1900℃，时间4h；
步骤二，硝酸处理退火后的碳纳米管：将2g退火后的碳纳米管置于300ml高浓度硝酸里，将混合液常温搅拌20min，再放于超声槽中超声25min。然后将溶液接入回流装置于80℃搅拌回流60min。将所得产物用4000rpm离心机进行离心分离，多次离心至溶液PH值为7。将离心产物用1.2μm孔径的聚酯膜抽滤，最后在60℃烘干，得到酸化碳纳米管；
步骤三，用氢氧化钠处理酸化后的碳纳米管：将1.5g酸化碳纳米管放入200ml质量分数为50％的氢氧化钠溶液中于90℃搅拌5h，将溶液过滤水洗至PH值为7。然后在60℃烘干，得到高度溶于水的碳纳米管；
步骤四，将1g酸碱依次处理的碳纳米管溶于300ml去离子水，超声40min，得到分散性良好的碳纳米管水溶液。将10g聚乙烯基吡咯烷酮粉末放入碳纳米管水溶液中溶胀40min，然后在90℃搅拌6h得到分散均匀的碳纳米管/聚乙烯基吡咯烷酮溶液。
Claims (6)
1.一种改善碳纳米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，其特征是：该方法包括如下步骤：
步骤一，高温退火提纯碳纳米管；
步骤二，采用强酸处理退火后的碳纳米管；
步骤三，采用强碱处理酸化后的碳纳米管，得到高度溶于水的碳纳米管；
步骤四，将水溶性聚合物在酸碱处理后的碳纳米管水溶液中溶胀或溶解，得到分散性改善的碳纳米管/聚合物溶液。
2.根据权利要求1所述的改善碳纳米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，其特征是：步骤一中，所述的高温退火是在真空，或氮气、氩气惰性气体氛围中。
3.根据权利要求1所述的改善碳纳米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，其特征是：步骤一中，所述的碳纳米管为多壁碳纳米管，其制备方法可以是以下方法中的任意一种：电弧放电法，激光蒸发法，化学气相沉积法。
4.根据权利要求1所述的改善碳纳米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，其特征是：步骤二中，所述的强酸为硫酸和硝酸中的一种或两种混合。
5.根据权利要求1所述的改善碳纳米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，其特征是：步骤三中，所述的强碱为氢氧化钠和氢氧化钾中的一种。
6.根据权利要求1所述的改善碳纳米管在水及水溶性聚合物中分散性的方法，其特征是：步骤四中，所述的水溶性聚合物为以下任意一种：聚乙烯醇，聚丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚乙二醇，聚氧化乙烯，聚马来酸，水溶性聚氨酯树脂，纤维素醚，聚乙烯基吡咯烷酮。
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