CN103160049A - 一种纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合导电薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合导电薄膜的制备方法，首先采用硝酸银、碳纳米管、分散剂及聚乙烯醇为原料溶于水中，进行溶液共混，然后在基板上流涎后再在120～190℃干燥，薄膜成型的同时硝酸银分解成为纳米银粒子分散在复合体系中，最终形成由纳米银粒子、碳纳米管、分散剂及聚乙烯醇组成的复合材料。本发明提供的纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇材料制备工艺简单，不需要复杂的设备，成型加工和导电功能一次性完成，导电性能稳定可靠；由于质量轻、易加工成各种形状、尺寸稳定性好以及导电性能在较大范围内可调等特点,使其在防静电、微波吸收、电磁屏蔽及电化学等领域具有广泛的用途。
Description
技术领域
本发明属于纳米复合薄膜材料技术领域，特别涉及一种纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合薄膜的制备方法。
背景技术
伴随着科技的发展, 高分子材料的应用日益广泛。然而, 高分子材料具有高的表面电阻和体积电阻, 一旦摩擦带电后, 静电不易通过导电除去而滞留在材料表面, 不仅会影响材料的外观特性、制造和使用, 更主要的是存在静电安全隐患。随着现代电子工业和作息技术等产业革命迅速发展，越来越需要具有导电功能高分子材料。导电高分子由于其具有重量轻、易加工各种复杂形状以及电阻率在较大范围内可调等特点，在防静电、电磁屏蔽、微波吸收、电化学及催化等领域得到广泛的应用。
普通高分子材料目前使用的抗静电改性方法, 主要采用添加抗静电剂或导电填料的方法。添加抗静电剂主要存在抗静电性能受空气相对湿度的影响及耐久性差的问题；添加导电填料主要存在导电性能不匀和材料力学性能下降的问题。随着纳米技术的进步，纳米级抗静电材料填充高分子材料，将更有利于高分子材料抗静电性的提高和其它性能的改善，其研究意义重大。
聚乙烯醇（PVA）是一种水溶性高分子材料， 具有良好的生物相容性和无毒性，良好的化学稳定性，并具有良好的成纤性、成膜性、膜阻氧性、韧性和耐化学性，使其在药物、医学、环保、包装、化纤、食品等行业都有广泛的应用。已有研究者将一些纳米材料加入聚乙烯醇中，用来赋予PVA各种功能。
金属银具有优异的光学和电学性能,其纳米材料的制备一直是新材料领域中的一个研究热点。近年来,以纳米银粒子填充聚合物合成功能性复合材料已经取得很大进展,银/聚合物复合材料同时具有了纳米银和聚合物的优良特性,并赋予材料一些特异或新的功能,从而使其在光子学、电子学、生物医学和信息材料学等诸多领域具有广阔的应用前景,因此其制备与应用己经成为目前纳米材料研究领域关注的热点课题。近年来已经有银/聚合物复合材料的研究，如20091021922.9将硝酸银与聚乙烯醇于水中进行混合后在基片上涂膜，避光干燥，得到在155～165℃温度范围内具有电阻突变性的复合高分子薄膜材料；专利201110407330.9将硝酸银和聚乙烯醇混合在水溶液中混合后采用旋转涂膜或铸膜法制备聚乙烯醇/硝酸银薄膜，然后将其用紫外光辐照制备聚乙烯醇/纳米银复合薄膜；专利200910074289.0以聚合单体（苯乙烯/甲基丙烯酸甲酯）为连续相制备含纳米银粒子的微乳液，再通过乳液聚合制备得到抗菌性的纳米银粒子均匀分散于聚合物基体中的纳米银/聚合物复合材料。专利02147003.0将溶有金属的盐溶液与酚醛树脂浓溶液配成均相溶液，低温脱去溶剂，在一定温度下交联固化，固化剂同时作为还原剂，在固化的同时实现金属离子的还原，形成纳米银颗粒并均匀分散在生成的复合材料基体中。
碳纳米管(CNTs)是由碳六元环组成的类似于石墨的平面, 按一定方式卷曲而成的纳米级管状结构。碳纳米管又可分为单壁碳纳米管(SWNTs)和多壁碳纳米管( MWNTs)两大类。由于CNTs具有很高的长径比以及优良的电学和力学性能, 在导电和吸波屏蔽方面效果显著，受到了越来越多科学家的关注。碳纳米管填充聚合物基电磁屏蔽复合材料的研究已成为碳纳米管应用研究的重要方向。近年来已经有研究者将碳纳米管加入聚乙烯醇中用来增加聚乙烯醇的导电性及其它物理机械性能。如专利200610052222.3将胆酸盐和碳纳米管在水中搅拌混合形成悬浮液，然后加入聚乙烯醇的水溶液混合，将混合溶液倒入模具中室温下蒸发得到复合材料，大大提高了聚乙烯醇的力学性能。专利200910053649.9使用非离子表面活性剂为分散剂，制备碳纳米管/聚乙烯醇纺丝原液。
如何尽可能地降低导电填料填充量，同时保持甚至提高材料的导电性是目前高分子基导电复合材料研究工作中的主要方向之一。对导电复合材料来说，体系的电性能最终是由其所形成的导电网络所控制。因此，为了降低材料的导电填料含量、提高导电性同时改善材料的电性能稳定性，设计有效的导电网络是根本途径。选用两种不同形态尺寸的导电填料填充聚合物是有效的改性手段。所阅文献资料还未见将纳米银和碳纳米管复配作为导电添加剂制备聚乙烯醇复合材料的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单易行的聚乙烯醇纳米复合导电材料的制备方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合导电薄膜的制备方法，首先采用硝酸银、碳纳米管、分散剂及聚乙烯醇为原料溶于水中，进行溶液共混，然后在基板上流涎后再在120～190℃干燥，薄膜成型的同时硝酸银分解成为纳米银粒子分散在复合体系中，最终形成由纳米银粒子、碳纳米管、分散剂及聚乙烯醇组成的复合材料。
具体包括以下步骤：
（1）将碳纳米管在浓度为70～98%的强酸溶液中回流0.5～10小时后取出，用去离子水进行稀释，过滤，并用去离子水反复冲洗，最后把所得黑色固体放在真空烘箱中干燥至恒重，得到纯化的碳纳米管；
（2）取按步骤（1）纯化的碳纳米管、分散剂及聚乙烯醇置于水中充分搅拌，使聚乙烯醇溶解得到共混溶液；用超声波分散设备在超声波分散功率为100W～1200W、分散频率为20kHz～120 kHz条件下对上述溶液进行10分钟～150分钟超声波分散的处理；
碳纳米管及聚乙烯醇在水中的总浓度为4～18％，碳纳米管用量为聚乙烯醇质量的1～15％，分散剂用量为碳纳米管质量的0.2～8%；
（3） 将硝酸银的水溶液滴加到步骤（2）得到的共混溶液中，其中硝酸银用量为聚乙烯醇质量的1～15％，用磁力搅拌混合均匀，得到硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液；
（4） 取步骤（3）中得到的混合溶液在基板上流涎，静置后在100～170℃加热30分钟～12小时，得到纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合材料。
所述的强酸为硝酸、硫酸、盐酸中的一种或他们的混合物。
所述的分散剂选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、硅烷偶联剂及钛酸酯偶联剂的一种或是它们的混合物。
所述的碳纳米管是单臂碳纳米管、多臂碳纳米管的一种或是它们的混合物。
本发明具有以下优点：
1.碳纳米管具有良好的导电性能和比强度,加入到聚乙烯醇中制得的复合材料具有优良的电性能和力学性能。
2. 纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合膜和纳米银粒子同步形成，银粒子在聚乙烯醇基体中分散均匀，通过控制热处理温度及硝酸银浓度，可以得到不同粒径的银纳米粒子。
3. 碳纳米管和纳米银粒子具有不同的形状，在聚乙烯醇基体中相互分散在彼此的间隙内, 可增大填料的填充因数, 从而在聚乙烯醇基体中形成更多的导电通路网络, 降低电阻，得到性能更加优良的导电功能材料。
本发明提供的纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇材料制备工艺简单，不需要复杂的设备，成型加工和导电功能一次性完成，导电性能稳定可靠；由于质量轻、易加工成各种形状、尺寸稳定性好以及导电性能在较大范围内可调等特点, 使其在防静电、微波吸收、电磁屏蔽及电化学等领域具有广泛的用途。
具体实施方式
下面通过实例对本发明进行具体描述，以下实例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限范围。
实施例1
①多壁碳纳米管放入单口烧瓶中，剧烈搅拌下加入70%的浓硝酸，放入140℃恒温油浴中回流1小时后取出，用去离子水进行稀释，过滤，并用去离子水反复冲洗，最后把所得黑色固体放在真空烘箱中于50℃干燥至恒重, 得到纯化的碳纳米管。
②将1.5克纯化后的碳纳米管与45克聚乙烯醇及0.03克十二烷基硫酸钠一起置于350克蒸馏水中充分搅拌，在95℃使聚乙烯醇溶解得到共混溶液。用超声波分散设备在超声波分散功率为200W、分散功率为60 kHz条件下对上述共混溶液进行60min超声波分散的处理。
③ 常温下，3.5克硝酸银溶于100克蒸馏水中滴加到上述共混溶液中，用磁力搅拌30min使之混合均匀，得到硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液。
④ 将上述硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液在基板上流涎，静置后放入鼓风干燥箱后在150℃加热1小时，得到纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合膜。薄膜厚度为1mm，用四探针法测得其电导率为2.7×10-5 S/cm。
实施例2
①多壁碳纳米管放入单口烧瓶中，剧烈搅拌下加入70%的浓硝酸，放入140℃恒温油浴中回流1小时后取出，用去离子水进行稀释，过滤，并用去离子水反复冲洗，最后把所得黑色固体放在真空烘箱中于50℃干燥至恒重, 得到纯化的碳纳米管。
②将1.5克纯化后的碳纳米管与45克聚乙烯醇及0.03克十二烷基硫酸钠一起置于350克蒸馏水中充分搅拌，在95℃使聚乙烯醇溶解得到共混溶液。用超声波分散设备在超声波分散功率为200W、分散功率为60 kHz条件下对上述共混溶液进行60min超声波分散的处理。
③ 常温下，7.5克硝酸银溶于100克蒸馏水中滴加到上述共混溶液中，用磁力搅拌30min使之混合均匀，得到硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液。
④ 将上述硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液在基板上流涎，静置后放入鼓风干燥箱后在160℃加热1小时，得到纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合膜。薄膜厚度为1mm，用四探针法测得其电导率为7.8×10-4 S/cm。
实施例3
①单壁碳纳米管放入单口烧瓶中，剧烈搅拌下加入70%的浓硝酸，放入140℃恒温油浴中回流1小时后取出，用去离子水进行稀释，过滤，并用去离子水反复冲洗，最后把所得黑色固体放在真空烘箱中于50℃干燥至恒重, 得到纯化的碳纳米管。
②将2.5克纯化后的碳纳米管与45克聚乙烯醇及0.05克十二烷基苯磺酸钠一起置于350克蒸馏水中充分搅拌，在95℃使聚乙烯醇溶解得到共混溶液。用超声波分散设备在超声波分散功率为100W、分散功率为60 kHz条件下对上述共混溶液进行45min超声波分散的处理。
③ 常温下，2.5克硝酸银溶于100克蒸馏水中滴加到上述共混溶液中，用磁力搅拌20min使之混合均匀，得到硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液。
④ 将上述硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液在基板上流涎，静置后放入鼓风干燥箱后在160℃加热1小时，得到纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合膜。薄膜厚度为1mm，用四探针法测得其电导率为7.5×10-5 S/cm。
实施例4
①单壁碳纳米管放入单口烧瓶中，剧烈搅拌下加入70%的浓硝酸，放入140℃恒温油浴中回流1小时后取出，用去离子水进行稀释，过滤，并用去离子水反复冲洗，最后把所得黑色固体放在真空烘箱中于50℃干燥至恒重, 得到纯化的碳纳米管。
②将2.5克纯化后的碳纳米管与45克聚乙烯醇及0.05克钛酸酯偶联剂一起置于350克蒸馏水中充分搅拌，在95℃使聚乙烯醇溶解得到共混溶液。用超声波分散设备在超声波分散功率为200W、分散功率为60 kHz条件下对上述共混溶液进行60min超声波分散的处理。
③ 常温下，5.5克硝酸银溶于100克蒸馏水中滴加到上述共混溶液中，用磁力搅拌20min使之混合均匀，得到硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液。
④ 将上述硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液在基板上流涎，静置后放入鼓风干燥箱后在160℃加热1小时，得到纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合膜。薄膜厚度为1mm，用四探针法测得其电导率为2.6×10-3 S/cm。
实施例5
①多壁碳纳米管放入单口烧瓶中，剧烈搅拌下加入98%的浓硝酸，放入140℃恒温油浴中回流1小时后取出，用去离子水进行稀释，过滤，并用去离子水反复冲洗，最后把所得黑色固体放在真空烘箱中于50℃干燥至恒重, 得到纯化的碳纳米管。
②将0.45克纯化后的碳纳米管与45克聚乙烯醇及0.036克十二烷基磺酸钠一起置于350克蒸馏水中充分搅拌，在95℃使聚乙烯醇溶解得到共混溶液。用超声波分散设备在超声波分散功率为100W、分散功率为20 kHz条件下对上述共混溶液进行150min超声波分散的处理。
③ 常温下，6.75克硝酸银溶于100克蒸馏水中滴加到上述共混溶液中，用磁力搅拌30min使之混合均匀，得到硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液。
④ 将上述硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液在基板上流涎，静置后放入鼓风干燥箱后在150℃加热1小时，得到纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合膜。薄膜厚度为1mm，用四探针法测得其电导率为2.7×10-5 S/cm。
实施例6
①多壁碳纳米管放入单口烧瓶中，剧烈搅拌下加入85%的浓盐酸放入140℃恒温油浴中回流1小时后取出，用去离子水进行稀释，过滤，并用去离子水反复冲洗，最后把所得黑色固体放在真空烘箱中于50℃干燥至恒重, 得到纯化的碳纳米管。
②将6.75克纯化后的碳纳米管与45克聚乙烯醇及0.0135克十二烷基硫酸钠一起置于350克蒸馏水中充分搅拌，在95℃使聚乙烯醇溶解得到共混溶液。用超声波分散设备在超声波分散功率为1200W、分散功率为120 kHz条件下对上述共混溶液进行10min超声波分散的处理。
③ 常温下，7.5克硝酸银溶于100克蒸馏水中滴加到上述共混溶液中，用磁力搅拌30min使之混合均匀，得到硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液。
④ 将上述硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液在基板上流涎，静置后放入鼓风干燥箱后在160℃加热1小时，得到纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合膜。薄膜厚度为1mm，用四探针法测得其电导率为7.8×10-4 S/cm。
实施例7
①单壁碳纳米管放入单口烧瓶中，剧烈搅拌下加入75%的浓盐酸，放入140℃恒温油浴中回流1小时后取出，用去离子水进行稀释，过滤，并用去离子水反复冲洗，最后把所得黑色固体放在真空烘箱中于50℃干燥至恒重, 得到纯化的碳纳米管。
②将4.5克纯化后的碳纳米管与45克聚乙烯醇及0.225克十二烷基苯磺酸钠一起置于350克蒸馏水中充分搅拌，在95℃使聚乙烯醇溶解得到共混溶液。用超声波分散设备在超声波分散功率为100W、分散功率为60 kHz条件下对上述共混溶液进行45min超声波分散的处理。
③ 常温下，4.5克硝酸银溶于100克蒸馏水中滴加到上述共混溶液中，用磁力搅拌20min使之混合均匀，得到硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液。
④ 将上述硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液在基板上流涎，静置后放入鼓风干燥箱后在160℃加热1小时，得到纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合膜。薄膜厚度为1mm，用四探针法测得其电导率为7.5×10-5 S/cm。
Claims (5)
1.一种纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合导电薄膜的制备方法，其特征在于：首先采用硝酸银、碳纳米管、分散剂及聚乙烯醇为原料溶于水中，进行溶液共混，然后在基板上流涎后再在120～190℃干燥，薄膜成型的同时硝酸银分解成为纳米银粒子分散在复合体系中，最终形成由纳米银粒子、碳纳米管、分散剂及聚乙烯醇组成的复合材料。
2.根据权利要求1所述的纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合导电薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将碳纳米管在浓度为70～98%的强酸溶液中回流0.5～10小时后取出，用去离子水进行稀释，过滤，并用去离子水反复冲洗，最后把所得黑色固体放在真空烘箱中干燥至恒重，得到纯化的碳纳米管；
（2）取按步骤（1）纯化的碳纳米管、分散剂及聚乙烯醇置于水中充分搅拌，使聚乙烯醇溶解得到共混溶液；用超声波分散设备在超声波分散功率为100W～1200W、分散频率为20kHz～120 kHz条件下对上述溶液进行10分钟～150分钟超声波分散的处理；
碳纳米管及聚乙烯醇在水中的总浓度为4～18％，碳纳米管用量为聚乙烯醇质量的1～15％，分散剂用量为碳纳米管质量的0.2～8%；
将硝酸银的水溶液滴加到步骤（2）得到的共混溶液中，其中硝酸银用量为聚乙烯醇质量的1～15％，用磁力搅拌混合均匀，得到硝酸银/碳纳米管/聚乙烯醇共混溶液；
取步骤（3）中得到的混合溶液在基板上流涎，静置后在100～170℃加热30分钟～12小时，得到纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合材料。
3.根据权利要求2所述的纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合导电薄膜的制备方法，其特征在于：所述的强酸为硝酸、硫酸、盐酸中的一种或他们的混合物。
4.根据权利要求2所述的纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合导电薄膜的制备方法，其特征在于：所述的分散剂选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、硅烷偶联剂及钛酸酯偶联剂的一种或是它们的混合物。
5.根据权利要求2所述的纳米银/碳纳米管/聚乙烯醇复合导电薄膜的制备方法，其特征在于：所述的碳纳米管是单臂碳纳米管、多臂碳纳米管的一种或是它们的混合物。
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