CN102558587A - 碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应智能驱动材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应智能驱动材料的制备方法。经过酸化，磺化过程对碳纳米管进行表面修饰，用溶液共混法将该功能化碳纳米管与热塑性聚氨酯共混，经超声处理使碳纳米管和聚氨酯均匀混合，将混合溶液浇入聚四氟乙烯磨具中，真空干燥制得复合膜。该复合膜具有较好的光驱动性，含1wt％碳纳米管复合膜在光的照射下能提起50g重物上升3cm，响应时间7-8秒左右，形状恢复率达到80％以上。同时且其机械性能也也有很大的提高，杨氏模量提高了70％-100％。

Description

碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应智能驱动材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应智能驱动材料制备方法，属于碳纳米管/热塑性聚氨酯复合材料技术。

背景技术

驱动器件是智能体系中极其重要的组成部分，高分子材料因具有软物质的典型特征，易于对外场作出响应，因此在智能驱动材料的研究中具有不可替代的作用。以光作为驱动力能满足人们对快速、远程及非接触式精确控制智能材料与系统的需要。利用高分子材料的光致形变性可以将光能转化为热能，进一步将热能转化为机械能，有望推动微型光-机械换能器件的开发。

热塑性聚氨酯具有软、硬交替排列的嵌段结构，由于软、硬段之间的热力学不相容性，使体系发生微相分离。其中硬段聚集成微晶区，起到物理交联点的作用，可作为固定相；软段的Tg或Tm高于室温，则可作为可逆相，因此热塑性聚氨酯具有一定的形状记忆功能。且热塑性聚氨酯易加工成型，价格低廉。该热塑性聚氨酯在200-2000nm范围内的光吸收性很弱，本身不具有光驱动性。

CNT管作为一维纳米材料，重量轻，共轭结构完整，具有许多异常的力学、电学和热学性能。研究表明碳纳米管在200nm-2000nm范围内具有一定的光吸收性质，将碳纳米管功能化后，使其易均匀分散在热塑性聚氨酯且具有一定的共轭结构，从而制得光响应智能驱动材料薄膜。该薄膜具有较好的力学性能和光响应智能驱动性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应智能驱动材料的制备方法。该制备方法过程简单，制得的复合材料具有较好的力学性能和光驱动性。

本发明通过以下技术方案加以实现的，一种碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应智能驱动材料的制备方法，其特征包括以下过程：

1)将一定质量的碳纳米管加入到质量浓度98％硫酸和质量浓度37％硝酸体积比为1∶3的混合溶液中，在温度为20-30℃搅拌1.5-3小时，抽滤并用去离子水洗至中性；将所得的碳纳米管分散到去离子水中配成1mg/ml的溶液，超声1-2小时分散，将质量为碳纳米管2-3倍的对氨基苯磺酸重氮盐加入到上述溶液中，冰浴搅拌2-4小时，抽滤并用去离子水洗涤至中性，烘干即制得带有磺酸基团的功能化碳纳米管；

2)将步骤1)制得的带有磺酸基团的碳纳米管加入到N，N二甲基甲酰胺中，配成0.71-2.86mg/ml的溶液，超声分散1-2小时，再将质量为碳纳米管50-200倍的热塑性聚氨酯加入到上述混合溶液中，在70-80℃恒温1-2小时，再超声分散1-1.5小时，将所得混合溶液浇入聚四氟乙烯模具，真空干燥30-40小时，即得到碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应智能驱动材料薄膜。

本发明制备方法过程简单，所制得的功能化碳纳米管在水和有机溶剂中具有良好的溶解性，且具有一定的共轭结构。所得的功能化碳纳米管能均匀的分散在热塑性聚氨酯中，利用功能化碳纳米管在200-2000nm范围内的光吸收性，使得所制备的复合材料薄膜具有光响应智能驱动性，能完成将光能转化为热能，进一步将热能转化为机械能的过程。热塑性聚氨酯容易加工成型，价格低廉，大大降低的成本，有利于大规模生产和广泛应用。

附图说明：

图1为酸化碳纳米管和磺化碳纳米管的红外光谱图。

图中：在1217cm^-1处出现对氨基苯磺酸中磺酸基团的S＝O非对称伸缩振动峰，证明酸化碳纳米管表面修饰有磺酸基团。

图2为0.05mg/ml磺化碳纳米管水溶液光吸收谱图。

图中：可以观察到在可见光和近红外区有很好的光吸收性。

图3为纯热塑性聚氨酯薄膜和1wt％磺化碳纳米管热塑性聚氨酯复合薄膜的光吸收图谱。

图中：可以观察纯热塑性聚氨酯薄膜在可见光和近红外区的光吸收性很弱，不具有光驱动性。加入1wt％磺化碳纳米管后，复合薄膜在可见光和紧红外区有较强的光吸收性，使得复合薄膜具有光响应性。

具体实施方式

下面给出本发明的3个实施例，是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

实施例1：

1)功能化碳纳米管的制备：本实施例中采用的碳纳米管平均长度为5um，平均直径为25nm，量取10ml质量浓度98％硫酸和30ml质量浓度37％硝酸体积配成混合溶液，将150mg碳纳米管将入到上述混合溶液中常温搅拌2小时，抽滤，用去离子水洗至中性；将所得碳纳米管重新分散在150g去离子水中超声1.5小时；将239.3mg对氨基苯磺酸溶解在32g水和2.6g 1mol/L盐酸的混合溶液中；将93.7mg亚硝酸钠溶于20g水中，将上述亚硝酸钠水溶液滴加到对氨基苯磺酸溶液中，冰浴反应1小时，即得到对氨基苯磺酸重氮盐水溶液：再将333mg对氨基苯磺酸的重氮盐加入到碳纳米管溶液中，冰浴搅拌4小时，抽滤并用去离子水洗涤至中性，烘干即制得带有磺酸基团的功能化碳纳米管。

2)0.5wt％功能化碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应驱动智能材料薄膜的制备：将10mg功能化碳纳米管分散到14ml N，N二甲基甲酰胺中，超声分散1小时。将2g热塑性聚氨酯加入上述溶液中，75℃加热1小时，再超声分散1.5小时。将的到的混合溶液浇入四氟乙烯模具中，60℃真空干燥36小时，即可得到膜厚为2mm左右碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应智能驱动材料。

该碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应智能驱动材料薄膜具有较好的光驱动性，含1wt％碳纳米管复合膜在氙灯的照射下能提起50g重物上升3cm，响应时间7-8秒左右，形状恢复率达到80％以上。同时且其机械性能也也有很大的提高，杨氏模量提高了70％以上。

实施例2：

1)功能化碳纳米管制备过程与实施例1步骤1)相同。

2)1wt％功能化碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应驱动智能材料薄膜的制备：将20mg功能化碳纳米管分散到14ml N，N二甲基甲酰胺中，超声分散1小时。将2g热塑性聚氨酯加入上述溶液中，75℃加热1小时，再超声分散1.5小时。将得到的混合溶液浇入四氟乙烯模具中，60℃真空干燥36小时，即可得到膜厚为2mm左右碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应智能驱动材料。

该碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应智能驱动材料薄膜具有较好的光驱动性，含1wt％碳纳米管复合膜在氙灯的照射下能提起50g重物上升3cm，响应时间7-8秒左右，形状恢复率达到80％以上。同时且其机械性能也也有很大的提高，杨氏模量提高了70％以上。

实施例3：

1)功能化碳纳米管制备过程与实施例1步骤1)相同。

2)2wt％功能化碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应驱动智能材料薄膜的制备：将40mg功能化碳纳米管分散到14ml N，N二甲基甲酰胺中，超声分散1小时。将2g热塑性聚氨酯加入上述溶液中，75℃加热1小时，再超声分散1.5小时。将的到的混合溶液浇入聚四氟乙烯模具中，60℃真空干燥36小时，即可得得到膜厚为2mm左右碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应智能驱动材料。

该碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应智能驱动材料薄膜具有较好的光驱动性，含1wt％碳纳米管复合膜在氙灯的照射下能提起50g重物上升3cm，响应时间7-8秒左右，形状恢复率达到80％以上。同时且其机械性能也也有很大的提高，杨氏模量提高了70％以上。

Claims (1)

1.一种碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应智能驱动材料的制备方法，其特征包括以下过程：

1)将一定质量的碳纳米管加入到质量浓度98％硫酸和质量浓度37％硝酸体积比为1∶3的混合溶液中，在温度为20-30℃搅拌1.5-3小时，抽滤并用去离子水洗至中性；将所得的碳纳米管分散到去离子水中配成1mg/ml的溶液，超声1-2小时分散，将质量为碳纳米管2-3倍的对氨基苯磺酸重氮盐加入到上述溶液中，冰浴搅拌2-4小时，抽滤并用去离子水洗涤至中性，烘干即制得带有磺酸基团的功能化碳纳米管；

2)将步骤1)制得的带有磺酸基团的碳纳米管加入到N，N二甲基甲酰胺中，配成0.71-2.86mg/ml的溶液，超声分散1-2小时，再将质量为碳纳米管50-200倍的热塑性聚氨酯加入到上述混合溶液中，在70-80℃恒温1-2小时，再超声分散1-1.5小时，将所得混合溶液浇入聚四氟乙烯模具，真空干燥30-40小时，即得到碳纳米管/热塑性聚氨酯光响应智能驱动材料薄膜。

Images