CN103073664A

CN103073664A - 碳纳米管改性聚苯乙烯复合材料

Info

Publication number: CN103073664A
Application number: CN2012104800416A
Authority: CN
Inventors: 高凡
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明公开了一种碳纳米管改性聚苯乙烯复合材料，主要由如下质量份数的组分制成：苯乙烯100；碳纳米管5～20；引发剂0.05～0.2；浓硫酸60～80；浓硝酸180～240；去离子水100～200；过硫酸钾0.1～0.5；十二烷基硫酸钠3～6；10%氢氧化钠溶液100～200。制备方法简单，易于操作，制备的复合材料碳纳米管分散性能良好，具有力学性能优异。

Description

碳纳米管改性聚苯乙烯复合材料

技术领域

本发明涉及一种改性聚苯乙烯复合材料，特别涉及一种碳纳米管改性聚苯乙烯复合材料。

背景技术

碳纳米管在纳米材料中最富有代表性，并且是性能优异的材料。碳纳米管可以看成是拉长的C₆₀。自从1991年日本科学家Iijima首先发现碳纳米管后，引起了国内外的广泛关注。各种制备碳纳米管的方法相继被发明。碳纳米管具有优异的力学、光学、电学和储氢等性能，具有广阔的应用前景。碳纳米管与高分子复合后，力学性能和电学性能都得到提高，可以作为高强度材料和防静电材料等；碳纳米管通过物理和化学方法修饰，可产生优异的物理、化学和生物性能；另外，碳纳米管在军事领域也有广泛的应用。

一般情况下，大批量生产的碳纳米管存在许多缺陷，分散性能也比较差，特别是碳纳米管表面结构的缺陷往往会损害其电学、光学和力学等性能。这些因素降低了碳纳米管作为纳米材料的优越性能，影响了碳纳米管的应用。为了改善碳纳米管的表面结构，一般采用表面修饰的方法来改善碳纳米管的分散性能以及与其他物质之间的相容性。为此，国内外的研究学者对碳纳米管开展了各种表面修饰方法的研究。

聚苯乙烯是一种被广泛使用的商品化聚合物，但也因其自身脆性大而限制了其的使用范围，通常需要加入橡胶弹性体对其增韧改性，制备高抗冲聚苯乙烯。但在使用之中方法提高人性的同时，往往会使其强度下降。目前碳纳米管/聚苯乙烯复合材料的研究主要集中在两个方面：一是将碳纳米管作为填充材料，采用溶液、熔融共混和原位聚合等方法制备碳纳米管/聚苯乙烯复合材料，以提高复合材料的力学、电学和热学性能；二是将碳纳米管作为主体，用聚苯乙烯对碳纳米管进行修饰，使之在有机溶剂中获得良好的溶解性。近几年关于碳纳米管/聚苯乙烯复合材料的研究非常活跃，在提高复合材料的导电!机械性能等方面已取得了很好的进展。

从国内外的研究现状来看，碳纳米管在提高复合材料的力学性能方面尚未发挥出理想的应用效果。要将碳纳米管填充的复合材料真正作为轻质、高强度的材料使用，还有许多工作要做，尤其是碳纳米管在聚合物中的分散问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种分散性能良好，具有优异力学性能的改性聚苯乙烯复合材料。

为了实现以上发明目的，本发明采用以下技术方案：一种碳纳米管改性聚苯乙烯复合材料，主要由如下质量份数的组分制成：苯乙烯100；碳纳米管5～20；引发剂0.05～0.2；浓硫酸60～80；浓硝酸180～240；去离子水100～200；过硫酸钾0.1～0.5；十二烷基硫酸钠3～6；10%氢氧化钠溶液100～200。

所述碳纳米管为多壁碳纳米管，外径范围为10～20nm，长度为5～15μm。

所述引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰。

目前碳纳米管的主要制备方法有三种：石墨电弧法、激光蒸发法及化学气相沉积法(CVD法)。但通常制备出的碳纳米管表面含有不少杂质，如非晶态无定型碳、石墨颗粒、催化剂颗粒等杂质，而且有的碳纳米管形状不规则，这些都降低了碳纳米管的有效表面积，甚至使碳纳米管相互团聚，影响了碳纳米管的分散性。这些因素降低了碳纳米管作为纳米材料的优越性能，影响了碳纳米管的应用。碳纳米管之间有强烈的范德华力作用，使其相互缠绕，形成排列紊乱的束状和膜状结构，并夹杂一些纳米颗粒物。有机共价键化修饰主要是通过化学接枝的方法使碳纳米管具有功能化的基团或者侧链，使其达到溶解和分散的目的。通过强酸性溶液对碳纳米管进行纯化和表面修饰，能对碳管起到纯化作用，使碳纳米管能够在聚合物中很好地分散。

为提高纳米填料和聚合物界面的结合强度以及填料在基体中的分散效果，原位聚合是一条制备聚合物基纳米复合材料的有效途径。该方法是利用碳纳米管的表面官能团参与聚合，或利用引发剂打开碳纳米管的兀键，从而获得与聚合物的良好相容性。多壁碳纳米管经过强酸氧化处理，表面具有活性官能团。碳纳米管的加入并未使聚合诱导期延长，但使体系粘度增加，自加速现象提早出现。

本发明的碳纳米管改性聚苯乙烯复合材料制备方法简单，易于操作，制备的复合材料碳纳米管分散性能良好，具有力学性能优异。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一：

按以下重量配比准备原料：苯乙烯100；碳纳米管5；偶氮二异丁腈0.05；浓硫酸60；浓硝酸180；去离子水100；过硫酸钾0.5；十二烷基硫酸钠6；10%氢氧化钠溶液10。

将碳纳米管加入浓硫酸和浓硝酸的混合液中，超声处理30min，用去离子水洗涤至中性，80℃烘箱中干燥24h；

将苯乙烯、碳纳米管、过硫酸钾、十二烷基硫酸钠混合均匀，加入10%氢氧化钠溶液调节pH值到9，超声处理30min，恒温80℃，加入偶氮二异丁腈反应24h，反应结束离心分离至上层清夜加入甲醇无杂质为止，产品50℃烘箱干燥24h。

实施例二：

按以下重量配比准备原料：苯乙烯100；碳纳米管10；氧化苯甲酰0.1；浓硫酸70；浓硝酸210；去离子水120；过硫酸钾0.2；十二烷基硫酸钠4；10%氢氧化钠溶液12。

将苯乙烯、碳纳米管、过硫酸钾、十二烷基硫酸钠混合均匀，加入10%氢氧化钠溶液调节pH值到9，超声处理30min，恒温80℃，加入氧化苯甲酰反应24h，反应结束离心分离至上层清夜加入甲醇无杂质为止，产品50℃烘箱干燥24h。

实施例三：

按以下重量配比准备原料：苯乙烯100；碳纳米管12；氧化苯甲酰0.12；浓硫酸80；浓硝酸240；去离子水200；过硫酸钾0.5；十二烷基硫酸钠5；10%氢氧化钠溶液15。

实施例四：

按以下重量配比准备原料：苯乙烯100；碳纳米管20；偶氮二异丁腈0.2；浓硫酸65；浓硝酸195；去离子水160；过硫酸钾0.3；十二烷基硫酸钠4；10%氢氧化钠溶液16。

实施例五：

按以下重量配比准备原料：苯乙烯100；碳纳米管8；偶氮二异丁腈0.1；浓硫酸60；浓硝酸180；去离子水150；过硫酸钾0.3；十二烷基硫酸钠6；10%氢氧化钠溶液20。

性能测试：

（1）碳纳米管分散性：在Hltaehi-800投射电子显微镜(TEM)上观察，取少量氧化处理后的碳纳米管(或复合材料)的水溶液滴在涂有碳膜的铜网上,干燥后用于观察碳纳米管的分散性。

（2）力学性能：按照GB1040-93测试拉伸性能、GB/T1043-93测试冲击强度。

测试结果：从电镜照片可以看出碳纳米管较均匀的分散在聚合物基体中，没有发生团聚现象。复合材料的拉伸强度在25.8～45.4MPa，冲击强度在13.8～18.7kJ/m²,说明材料的拉伸性能有较大的提高，抗冲击强度较合适，力学性能有较大改善。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种碳纳米管改性聚苯乙烯复合材料，其特征在于主要由如下质量份数的组分制成：苯乙烯100；碳纳米管5～20；引发剂0.05～0.2；浓硫酸60～80；浓硝酸180～240；去离子水100～200；过硫酸钾0.1～0.5；十二烷基硫酸钠3～6；10%氢氧化钠溶液100～200。

2.根据权利要求1所述的碳纳米管改性聚苯乙烯复合材料，其特征在于：所述碳纳米管为多壁碳纳米管，外径范围为10～20nm，长度为5～15μm。

3.根据权利要求1所述的碳纳米管改性聚苯乙烯复合材料，其特征在于：所述引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰。