CN102786693A - 一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料及其制备方法，它涉及的是一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料及其制备方法。本发明目的是要解决聚硅烷存在导电性差的问题。一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料由有机溶剂、碱金属、含有π键的二氯硅烷衍生物、硅烷衍生物、反应终止剂和多壁碳纳米管制备而成；方法：一、制备多壁碳纳米管/有机溶剂分散液；二、制备碱金属/有机溶剂悬浮液；三、制备氯硅烷/有机溶剂溶液；四、将多壁碳纳米管/有机溶剂分散液、碱金属/有机溶剂悬浮液和氯硅烷/有机溶剂溶液混合到一起；五、聚合反应；六、洗涤干燥。本发明主要用于制备聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料及其制备方法。
背景技术
聚硅烷是一类主链完全由Si-Si单键组成的新型聚合物，其主链的σ键电子的非定域作用赋予了聚硅烷独特的物理、化学特性，如：电子光谱、热致变色、光谱烧孔、场致发光、导电性及非线性光学特性等。另外，聚硅烷在制备高强度SiC陶瓷、作为非线性光学材料、高分辨光致抗蚀剂、烯烃聚合的光引发剂、制造发光二极管等多种电子器件方面已得到了广泛应用，使其成为极有前途的功能性高分子材料，引起了人们的极大兴趣。但聚硅烷能隙为3~4eV，电导率很小，属于绝缘体，所以如何通过掺杂或改性提高聚硅烷的导电性，具有很高的理论和实际研究价值。
发明内容
本发明目的是要解决聚硅烷存在导电性差的问题，而提供一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料及其制备方法。
一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料由有机溶剂、碱金属、含有π键的二氯硅烷衍生物、硅烷衍生物、反应终止剂和多壁碳纳米管制备而成；所述的多壁碳纳米管质量与有机溶剂体积的比为1g:(320mL~690mL)；所述的多壁碳纳米管与碱金属的质量比为1:(1.2~35)；所述的多壁碳纳米管与含有π键的二氯硅烷衍生物的质量比为1:(10~100)；所述的多壁碳纳米管与硅烷衍生物的质量比为1:(1~20.0)；所述的多壁碳纳米管质量与反应终止剂体积的比为1g:(300mL~450mL)。
一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、分散多壁碳纳米管：首先多壁碳纳米管进行纯化处理，然后分散于有机溶剂中，得到多壁碳纳米管/有机溶剂分散液；二、制备碱金属/有机溶剂悬浮液：将碱金属加入有机溶剂中，并在搅拌速度为1000r/min~1500r/min、温度为90℃~150℃和氮气保护下冷凝回流反应0.5h~3h，然后自然冷却至室温，得到碱金属/有机溶剂悬浮液；三、制备氯硅烷/有机溶剂溶液：将含有π键的二氯硅烷衍生物和硅烷衍生物溶于有机溶剂，混匀后即得到氯硅烷/有机溶剂溶液；四、混合：首先将步骤一制备的多壁碳纳米管/有机溶剂分散液加入步骤二制备的碱金属/有机溶剂悬浮液中，然后在搅拌速度为600r/min~1000r/min、油浴温度为60℃~80℃、氮气保护和避光条件下按1mL/min~1.5mL/min的滴加速度加入步骤三制备氯硅烷/有机溶剂溶液，并在搅拌速度为600r/min~1000r/min、油浴温度为50℃~80℃和氮气保护下混匀，即得到混合物；五、聚合：步骤四得到的混合物在搅拌速度为600r/min~1000r/min、油浴温度为70℃~120℃和氮气保护和避光条件下进行回流反应，反应时间为7h~9h，然后冷却至室温，并在搅拌速度为600r/min~1000r/min、室温和氮气保护和避光条件下搅拌反应20h~30h，然后加入反应终止剂，混匀后进行固液分离，即得到聚合物；六、洗涤干燥：采用蒸馏水对步骤五得到的聚合物进行洗涤3~5次，然后在温度为60℃~70℃下真空干燥18h~30h，即得到聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料；步骤一中所述的多壁碳纳米管质量与有机溶剂体积的比为1g:(70mL~90mL)；步骤二中所述的碱金属与步骤一中所述的多壁碳纳米管的质量比为(1.2~35):1；步骤二中所述的有机溶剂体积与步骤一中所述的多壁碳纳米管质量的比为(180mL~500mL):1g；步骤三中所述的含有π键的二氯硅烷衍生物与步骤一中所述的多壁碳纳米管的质量比为(10~100):1；步骤三中所述的硅烷衍生物与步骤一中所述的多壁碳纳米管的质量比为(1~20.0):1；步骤三中所述的有机溶剂体积与步骤一中所述的多壁碳纳米管质量的比为(70mL~100mL):1g；步骤五中所述的反应终止剂体积与步骤一中所述的多壁碳纳米管质量的比为(300mL~450mL):1g。
本发明优点：本发明制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料具有了聚硅烷与多壁碳纳米管的物理、化学优点，与现有聚硅烷相比电导率提高了三个数量级，并具有了更好的可加工性，易于成膜；同时提高了多壁碳纳米管在有机溶剂中的溶解度，以及在高分子材料中的分散性。
附图说明
图1是试验一步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管的红外光谱图；图2是枝状聚硅烷的红外光谱图；图3是试验一制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料的红外光谱图；图4是试验一步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管的热重图，图中的A表示质量-温度变化曲线，图中的B表示质量对温度的变化速率-温度变化曲线；图5是枝状聚硅烷的热重图，图中的A表示质量-温度变化曲线，图中的B表示质量对温度的变化速率-温度变化曲线；图6是试验一制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料的热重图，图中的A表示质量-温度变化曲线，图中的B表示质量对温度的变化速率-温度变化曲线；图7是为试验一步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管30000倍的TEM图；图8是为试验一制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料10000倍的TEM图；图9是为试验一制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料80000倍的TEM图；图10是为试验一制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料100000倍的TEM图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料由有机溶剂、碱金属、含有π键的二氯硅烷衍生物、硅烷衍生物、反应终止剂和多壁碳纳米管制备而成。
本实施方式所述的多壁碳纳米管质量与有机溶剂体积的比为1g:(320mL~690mL)；本实施方式所述的多壁碳纳米管与碱金属的质量比为1:(1.2~35)；所述的多壁碳纳米管与含有π键的二氯硅烷衍生物的质量比为1:(10~100)；本实施方式所述的多壁碳纳米管与硅烷衍生物的质量比为1:(1~20.0)；本实施方式所述的多壁碳纳米管质量与反应终止剂体积的比为1g:(300mL~450mL)。
本实施方式所述的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料具有了聚硅烷与多壁碳纳米管的物理、化学优点，与现有聚硅烷相比电导率提高了三个数量级，并具有了更好的可加工性，易于成膜；同时提高了多壁碳纳米管在反应终止剂中的溶解度，以及在高分子材料中的分散性。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述的有机溶剂为甲苯、二甲苯、辛烷或环庚烷。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述的碱金属为金属钠或Na-K合金。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述的含有π键的二氯硅烷衍生物为甲基苯基二氯硅烷、二苯基二氯硅烷或甲基乙烯基二氯硅烷；所述的硅烷衍生物为含有π键的二氯硅烷衍生物或三氯硅烷衍生物，其中所述的含有π键的二氯硅烷衍生物为甲基苯基二氯硅烷、二苯基二氯硅烷或甲基乙烯基二氯硅烷，其中所述的三氯硅烷衍生物为甲基三氯硅烷、乙烯基三氯硅烷、苯基三氯硅烷或壬基三氯硅烷。其他与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：所述的反应终止剂为无水异丙醇或无水乙醇。其他与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式是一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、分散多壁碳纳米管：首先多壁碳纳米管进行纯化处理，然后分散于有机溶剂中，得到多壁碳纳米管/有机溶剂分散液；二、制备碱金属/有机溶剂悬浮液：将碱金属加入有机溶剂中，并在搅拌速度为1000r/min~1500r/min、温度为90℃~150℃和氮气保护下冷凝回流反应0.5h~3h，然后自然冷却至室温，得到碱金属/有机溶剂悬浮液；三、制备氯硅烷/有机溶剂溶液：将含有π键的二氯硅烷衍生物和硅烷衍生物溶于有机溶剂，混匀后即得到氯硅烷/有机溶剂溶液；四、混合：首先将步骤一制备的多壁碳纳米管/有机溶剂分散液加入步骤二制备的碱金属/有机溶剂悬浮液中，然后在搅拌速度为600r/min~1000r/min、油浴温度为60℃~80℃、氮气保护和避光条件下按1mL/min~1.5mL/min的滴加速度加入步骤三制备氯硅烷/有机溶剂溶液，并在搅拌速度为600r/min~1000r/min、油浴温度为50℃~80℃和氮气保护下混匀，即得到混合物；五、聚合：步骤四得到的混合物在搅拌速度为600r/min~1000r/min、油浴温度为70℃~120℃和氮气保护和避光条件下进行回流反应，反应时间为7h~9h，然后冷却至室温，并在搅拌速度为600r/min~1000r/min、室温和氮气保护和避光条件下搅拌反应20h~30h，然后加入反应终止剂，混匀后进行固液分离，即得到聚合物；六、洗涤干燥：采用蒸馏水对步骤五得到的聚合物进行洗涤3~5次，然后在温度为60℃~70℃下真空干燥18h~30h，即得到聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料。
本实施方式步骤一中所述的多壁碳纳米管质量与有机溶剂体积的比为1g:(70mL~90mL)。
本实施方式步骤二中所述的碱金属与步骤一中所述的多壁碳纳米管的质量比为(12~35):1；本实施方式步骤二中所述的有机溶剂体积与步骤一中所述的多壁碳纳米管质量的比为(180mL~500mL):1g。
本实施方式步骤三中所述的含有π键的二氯硅烷衍生物与步骤一中所述的多壁碳纳米管的质量比为(10~100):1；本实施方式步骤三中所述的硅烷衍生物与步骤一中所述的多壁碳纳米管的质量比为(1~20.0):1；本实施方式步骤三中所述的有机溶剂体积与步骤一中所述的多壁碳纳米管质量的比为(70mL~100mL):1g。
本实施方式步骤五中所述的反应终止剂体积与步骤一中所述的多壁碳纳米管质量的比为(300mL~450mL):1g。
本实施方式步骤一中所述的纯化处理具体操作如下：1、硝酸处理：将多壁碳纳米管放入3mol/L的硝酸溶液中，室温下(约20℃)，用600r/min~1000r/min的电磁搅拌器搅拌24h后，用砂芯漏斗过滤，用去离子水将所得固体冲洗干净后干燥，即得到硝酸处理后产物；2、HCl处理：步骤1得到的硝酸处理后产物再放入5mol/L的HCl溶液中，加热升温至100~120℃回流6h~7h，再用砂芯漏斗过滤，然后将所得产物用去离子水冲洗并干燥，即得到HCl处理后产物；3、煅烧处理：把步骤2得到的HCl处理后产物放入马弗炉中，保持温度为450℃~500℃，在静止状态下的空气中煅烧约30min后取出，即得到纯化处理后多壁碳纳米管。
本实施方式制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料具有了聚硅烷与多壁碳纳米管的物理、化学优点，与现有聚硅烷相比电导率提高了三个数量级，并具有了更好的可加工性，易于成膜；同时提高了多壁碳纳米管在反应终止剂中的溶解度，以及在高分子材料中的分散性。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六的不同点是：步骤一中所述的有机溶剂为甲苯、二甲苯、辛烷或环庚烷。其他与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七之一不同点是：步骤二中所述的碱金属为金属钠或Na-K合金；步骤二中所述的有机溶剂为甲苯、二甲苯、辛烷或环庚烷。其他与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同点是：步骤三中所述的含有π键的二氯硅烷衍生物为甲基苯基二氯硅烷、二苯基二氯硅烷或甲基乙烯基二氯硅烷；步骤三中所述的硅烷衍生物为含有π键的二氯硅烷衍生物或三氯硅烷衍生物，其中所述的含有π键的二氯硅烷衍生物为甲基苯基二氯硅烷、二苯基二氯硅烷或甲基乙烯基二氯硅烷，其中所述的三氯硅烷衍生物为甲基三氯硅烷、乙烯基三氯硅烷、苯基三氯硅烷或壬基三氯硅烷；步骤三中所述的有机溶剂为甲苯、二甲苯、辛烷或环庚烷。其他与具体实施方式六至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同点是：步骤五中所述的反应终止剂为无水异丙醇或无水乙醇。其他与具体实施方式六至九相同。
采用下述试验验证本发明效果：
试验一：一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、分散多壁碳纳米管：首先多壁碳纳米管进行纯化处理，然后取0.26g纯化的多壁碳纳米管分散于20mL的甲苯中，得到多壁碳纳米管/有机溶剂分散液；二、制备碱金属/有机溶剂悬浮液：将1.7802g的金属钠加入45mL的甲苯中，并在搅拌速度为1200r/min、温度为120℃和氮气保护下冷凝回流反应2h，然后自然冷却至室温，得到碱金属/有机溶剂悬浮液；三、制备氯硅烷/有机溶剂溶液：将3.8233g的甲基苯基二氯硅烷和1.4932g的甲基三氯硅烷溶于20mL的甲苯中，混匀后即得到氯硅烷/有机溶剂溶液；四、混合：首先将步骤一制备的多壁碳纳米管/有机溶剂分散液加入步骤二制备的碱金属/有机溶剂悬浮液中，然后在搅拌速度为800r/min、油浴温度为65℃、氮气保护和避光条件下按1.2mL/min的滴加速度加入步骤三制备氯硅烷/有机溶剂溶液，并在搅拌速度为800r/min、油浴温度为65℃和氮气保护下混匀，即得到混合物；五、聚合：步骤四得到的混合物在搅拌速度为800r/min、油浴温度为100℃和氮气保护和避光条件下进行回流反应，反应时间为8h，然后冷却至室温，并在搅拌速度为800r/min、室温和氮气保护和避光条件下搅拌反应21h，然后加入80mL的无水异丙醇，混匀后进行固液分离，即得到聚合物；六、洗涤干燥：采用蒸馏水对步骤五得到的聚合物进行洗涤4次，然后在温度为65℃下真空干燥24h，即得到聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料。
本试验步骤一中所述的纯化处理具体操作如下：1、硝酸处理：将多壁碳纳米管放入3mol/L的硝酸溶液中，室温下(约20℃)，用800r/min的电磁搅拌器搅拌24h后，用砂芯漏斗过滤，用去离子水将所得固体冲洗干净后干燥，即得到硝酸处理后产物；2、HCl处理：步骤1得到的硝酸处理后产物再放入5mol/L的HCl溶液中，加热升温至110℃回流6.5h，再用砂芯漏斗过滤，然后将所得产物用去离子水冲洗并干燥，即得到HCl处理后产物；3、煅烧处理：把步骤2得到的HCl处理后产物放入马弗炉中，保持温度为480℃，在静止状态下的空气中煅烧约30min后取出，即得到纯化处理后多壁碳纳米管。
采用红外光谱仪对本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管、枝状聚硅烷（所述的枝状聚硅烷由2moL的甲基苯基二氯硅烷和1moL的甲基三氯硅烷聚合而成）和本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料进行分析，结果如图1~图3所示，图1是本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管的红外光谱图，图2是枝状聚硅烷的红外光谱图，图3是本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料的红外光谱图，通过图1可知本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管在1559cm-1处有一个很强的吸收峰，这是由多壁碳纳米管主体结构的C-C伸缩振动引起的，是多壁碳纳米管的特征峰，而1154cm-1处是C-O键的吸收峰；通过图2可知枝状聚硅烷在3052cm-1为苯环上的C-H伸缩振动，1952、1882、1819cm-1为苯环的指纹峰，1490cm-1为苯环的伸缩振动，697cm-1为苯环骨架面外弯曲振动，这几处的吸收说明有-Ph（苯环）的存在；1428、1095cm-1和1025cm-1为Si-Ph的振动吸收，说明有Si-Ph的存在，2957、2897cm-1为-CH3上的C-H伸缩振动的吸收说明有-CH3的存在；1245cm-1和755cm-1为Si-CH3的振动吸收，说明有Si-CH3的存在；这些都清晰地说明产物中存在单体链节，而在464cm-1处的吸收说明Si-Si键的形成，表明单体发生了聚合；通过图3可知本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料没有出现多壁碳纳米管的特征峰，这是因为在相应的位置多壁碳纳米管的红外振动吸收远比枝状聚硅烷的振动吸收弱而被掩盖，通过与图2对比可知所有和苯环相关的特征振动吸收都向低波数方向发生了移动，从3052cm-1到3045cm-1（苯环上的C-H伸缩振动），从1952cm-1到1948cm-1，1882cm-1到1879cm-1，1819cm-1到1813cm-1（苯环的指纹峰），从1490cm-1到1483cm-1（苯环的伸缩振动），从1428cm-1到1426cm-1，1095cm-1到1094cm-1（Si-Ph的变形振动），从1025cm-1到1018cm-1（Si-Ph的伸缩振动），分析可知多壁碳纳米管侧壁的π电子和枝状聚硅烷上苯环的π电子之间存在π-π堆积作用，正是这种π-π堆积作用使得有关苯环的特征吸收发生了变化（红移），因此可知本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料是枝状聚硅烷与多壁碳纳米管成功复合而成。
采用热重分析仪对本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管、枝状聚硅烷（所述的枝状聚硅烷由2moL的甲基苯基二氯硅烷和1moL的甲基三氯硅烷聚合而成）和本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料进行分析，结果如图4~图6所示，图4是本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管的热重图，图中的A表示质量-温度变化曲线，图中的B表示质量对温度的变化速率-温度变化曲线（即质量-温度变化曲线的一次微分曲线）；图5是枝状聚硅烷的热重图，图中的A表示质量-温度变化曲线，图中的B表示质量对温度的变化速率-温度变化曲线（即质量-温度变化曲线的一次微分曲线）；图6是本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料的热重图，图中的A表示质量-温度变化曲线，图中的B表示质量对温度的变化速率-温度变化曲线（即质量-温度变化曲线的一次微分曲线）；通过图4可知本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管在氮气保护条件下加热至100℃时有不明显失重，在0℃~100℃出现的失重是本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管表面微量吸水造成的，当加热至320℃时本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管有失重，在100℃~320℃出现的失重主要是本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管中残留的杂质（如无定形碳、催化剂等）所引起的，当加热至600℃以上时本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管出现明显失重，这是本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管的碳骨架质量损失造成的；通过图5可知枝状聚硅烷在氮气保护条件下加热至100℃时有不明显失重，在0℃~100℃出现的失重是枝状聚硅烷表面微量吸水造成的，热重分析：当加热至400℃时枝状聚硅烷开始发生分解，产生明显失重；通过图6可知本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料在380℃和560℃左右有明显的失重，这种失重现象既不同于枝状聚硅烷的质量-温度变化曲线也不同于多壁碳纳米管的质量-温度变化曲线，明显失重的温度不相同，可能是多壁碳纳米管侧壁碳原子的sp2杂化形成大量高度离域的π电子，这些π电子与含有π电子的甲基-甲基苯基聚硅烷通过π-π非共价键作用相结合，也可能多壁碳纳米管的π电子与枝状聚硅烷的甲基形成σ-π超共轭体系，这些因素的存在都将在一定程度上削弱枝状聚硅烷和多壁碳纳米管的化学键的键能，对其热性能产生影响，因此可知本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料不是枝状聚硅烷和多壁碳纳米管的混合物，而是枝状聚硅烷与多壁碳纳米管成功复合得到的新产物，该产物中存在影响化学键键能的π-π非共价键或σ-π超共轭体系。
对本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管、枝状聚硅烷（所述的枝状聚硅烷由2moL的甲基苯基二氯硅烷和1moL的甲基三氯硅烷聚合而成）和本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料进行电导率测试，测试结果如表1所示，通过表1可知本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料比枝状聚硅烷的电导率增大了三个数量级，分析认为是由于枝状聚硅烷中的σ键与多壁碳纳米管侧壁π键形成σ-π共轭，以及多壁碳纳米管侧壁的π电子和枝状聚硅烷上苯环的π电子之间存在π-π堆积作用，使本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料导电性能增强。
表1
采用透射电子显微镜对本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管和本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料进行分析，如图7~图10所示，图7是为本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管30000倍的TEM图，图8是为本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料10000倍的TEM图，图9是为本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料80000倍的TEM图，图10是为本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料100000倍的TEM图，通过图7可知从图中本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管相互缠绕，这是由于多壁碳纳米管表面很强的范德华力作用的结果，还可以看出本试验步骤一中得到的纯化的多壁碳纳米管的轮廓基本都是平滑均匀的；通过图8可知本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料中的多壁碳纳米管被枝状聚硅烷裹住，表面的圆球为枝状聚硅烷，且此高分子有荧光，圆球均匀地分布在多壁碳纳米管外围，说明具有荧光性能的枝状聚硅烷在多壁碳纳米管管外附着，进一步说明本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料是枝状聚硅烷与多壁碳纳米管成功复合而成；通过图9可知本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料中单独一根多壁碳纳米管周围被枝状聚硅烷比较均匀包围；通过图10可知本试验制备的聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料中多壁碳纳米管表面明显被包覆了比较厚的枝状聚硅烷，多壁碳纳米管表面变得粗糙，形成了以多壁碳纳米管为核以枝状聚硅烷为壳的核壳纳米结构，枝状聚硅烷对外层的多壁碳纳米管进行不断的缠绕，克服了多壁碳纳米管之间的范德华作用力，使多壁碳纳米管管束分离出单根的多壁碳纳米管。
Claims (10)
1.一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料，其特征在于聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料由有机溶剂、碱金属、含有π键的二氯硅烷衍生物、硅烷衍生物、反应终止剂和多壁碳纳米管制备而成；所述的多壁碳纳米管质量与有机溶剂体积的比为1g:(320mL~690mL)；所述的多壁碳纳米管与碱金属的质量比为1:(1.2~35)；所述的多壁碳纳米管与含有π键的二氯硅烷衍生物的质量比为1:(10~100)；所述的多壁碳纳米管与硅烷衍生物的质量比为1:(1~20.0)；所述的多壁碳纳米管质量与反应终止剂体积的比为1g:(300mL~450mL)。
2.根据权利要求1所述的一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料，其特征在于所述的有机溶剂为甲苯、二甲苯、辛烷或环庚烷。
3.根据权利要求2所述的一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料，其特征在于所述的碱金属为金属钠或Na-K合金。
4.根据权利要求3所述的一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料，其特征在于所述的含有π键的二氯硅烷衍生物为甲基苯基二氯硅烷、二苯基二氯硅烷或甲基乙烯基二氯硅烷；所述的硅烷衍生物为含有π键的二氯硅烷衍生物或三氯硅烷衍生物，其中所述的含有π键的二氯硅烷衍生物为甲基苯基二氯硅烷、二苯基二氯硅烷或甲基乙烯基二氯硅烷，其中所述的三氯硅烷衍生物为甲基三氯硅烷、乙烯基三氯硅烷、苯基三氯硅烷或壬基三氯硅烷。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料，其特征在于所述的反应终止剂为无水异丙醇或无水乙醇。
6.如权利要求1所述的一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料的制备方法是按以下步骤完成的：一、分散多壁碳纳米管：首先多壁碳纳米管进行纯化处理，然后分散于有机溶剂中，得到多壁碳纳米管/有机溶剂分散液；二、制备碱金属/有机溶剂悬浮液：将碱金属加入有机溶剂中，并在搅拌速度为1000r/min~1500r/min、温度为90℃~150℃和氮气保护下冷凝回流反应0.5h~3h，然后自然冷却至室温，得到碱金属/有机溶剂悬浮液；三、制备氯硅烷/有机溶剂溶液：将含有π键的二氯硅烷衍生物和硅烷衍生物溶于有机溶剂，混匀后即得到氯硅烷/有机溶剂溶液；四、混合：首先将步骤一制备的多壁碳纳米管/有机溶剂分散液加入步骤二制备的碱金属/有机溶剂悬浮液中，然后在搅拌速度为600r/min~1000r/min、油浴温度为60℃~80℃、氮气保护和避光条件下按1mL/min~1.5mL/min的滴加速度加入步骤三制备氯硅烷/有机溶剂溶液，并在搅拌速度为600r/min~1000r/min、油浴温度为50℃~80℃和氮气保护下混匀，即得到混合物；五、聚合：步骤四得到的混合物在搅拌速度为600r/min~1000r/min、油浴温度为70℃~120℃和氮气保护和避光条件下进行回流反应，反应时间为7h~9h，然后冷却至室温，并在搅拌速度为600r/min~1000r/min、室温和氮气保护和避光条件下搅拌反应20h~30h，然后加入反应终止剂，混匀后进行固液分离，即得到聚合物；六、洗涤干燥：采用蒸馏水对步骤五得到的聚合物进行洗涤3~5次，然后在温度为60℃~70℃下真空干燥18h~30h，即得到聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料；步骤一中所述的多壁碳纳米管质量与有机溶剂体积的比为1g:(70mL~90mL)；步骤二中所述的碱金属与步骤一中所述的多壁碳纳米管的质量比为(1.2~35):1；步骤二中所述的有机溶剂体积与步骤一中所述的多壁碳纳米管质量的比为(180mL~500mL):1g；步骤三中所述的含有π键的二氯硅烷衍生物与步骤一中所述的多壁碳纳米管的质量比为(10~100):1；步骤三中所述的硅烷衍生物与步骤一中所述的多壁碳纳米管的质量比为(1~20.0):1；步骤三中所述的有机溶剂体积与步骤一中所述的多壁碳纳米管质量的比为(70mL~100mL):1g；步骤五中所述的反应终止剂体积与步骤一中所述的多壁碳纳米管质量的比为(300mL~450mL):1g。
7.根据权利要求6所述的一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料，其特征在于步骤一中所述的有机溶剂为甲苯、二甲苯、辛烷或环庚烷。
8.根据权利要求7所述的一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料，其特征在于步骤二中所述的碱金属为金属钠或Na-K合金；步骤二中所述的有机溶剂为甲苯、二甲苯、辛烷或环庚烷。
9.根据权利要求8所述的一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料，其特征在于步骤三中所述的含有π键的二氯硅烷衍生物为甲基苯基二氯硅烷、二苯基二氯硅烷或甲基乙烯基二氯硅烷；步骤三中所述的硅烷衍生物为含有π键的二氯硅烷衍生物或三氯硅烷衍生物，其中所述的含有π键的二氯硅烷衍生物为甲基苯基二氯硅烷、二苯基二氯硅烷或甲基乙烯基二氯硅烷，其中所述的三氯硅烷衍生物为甲基三氯硅烷、乙烯基三氯硅烷、苯基三氯硅烷或壬基三氯硅烷；步骤三中所述的有机溶剂为甲苯、二甲苯、辛烷或环庚烷。
10.根据权利要求6、7、8或9所述的一种聚硅烷/多壁碳纳米管复合材料，其特征在于步骤五中所述的反应终止剂为无水异丙醇或无水乙醇。
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