CN105771762A - 一种碳纳米管的物理分散方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳纳米管的物理分散方法,涉及碳纳米管的分散领域。该方法通过一系列工艺流程对碳纳米管表面处理，使其均匀分散，并在粘结剂的作用下以单根的形式固定在固体颗粒表面，避免二次团聚。该方法的主要实施步骤为：(1)碳纳米管分散剂和粘结剂的制备；(2)碳纳米管分散处理；(3)碳纳米管的分散固定。本发明所述方法具有分散效果好、分散稳定、易操作、工艺流程短、制备周期短、环境污染小等优点，具有广泛的应用前景。

Description

一种碳纳米管的物理分散方法
技术领域
本发明涉及碳纳米管的分散领域，具体为一种碳纳米管的物理分散方法。
背景技术
碳纳米管(CarbonNanotube,简称CNT)是一种具有特殊结构的一维量子材料，具有高比表面积、高比表面能和高反应活性的特点。自其发现以来，其以独特的力学、热学、磁学和电学性能在电极材料、纳米电子材料、结构材料等诸多领域表现出良好的应用前景。碳纳米管的的杨氏模量和剪切模量都与金刚石相当，其轴向杨氏模量接近2TPa、抗拉强度高达100GPa，为钢的100倍，是高强度碳纤维的20多倍，密度仅为1.35g/cm3左右，为钢的1/6、铝的1/2、镁的3/4，同时，碳纳米管具有良好的导电、导热性能、优良的自润滑性和生物相容性。因此，碳纳米管被认为是陶瓷、聚合物、金属等基体材料的理想强化相。
碳纳米管虽具有诸多优点，但在工业中应用并不广泛，主要原因是碳纳米管是纳米材料，长径比、表面积很大，为了降低自由能，碳纳米管倾向聚合成团以降低表面能，这是自发倾向行为。因此在实际应用过程中，其团聚形态往往会破坏单根碳纳米管所表现出的优异的力学、电学特性，从而限制了碳纳米管的应用。目前碳纳米管的主要分散方法有：球磨、超声震荡、强酸化学处理、过滤、共混等多种工艺方法。如“一种碳纳米管分散的方法”(授权公布号CN102350234A)的发明，其分散方法是将碳纳米管在以发烟硫酸或氯磺酸钠为代表的超强酸中插层、溶胀，然后经硝酸选择性功能化所含碳质副产物，即可自发分散到水及乙醇、丙酮等常用的有机溶剂中。在“球磨分散工艺对碳纳米管分散的影响”(黄民富等.材料导报,2013(S2):第35-38页)文章中，对碳纳米管分别进行干式球磨和湿式球磨分散处理，结果表明碳纳米管在球磨的冲击作用下，碳纳米管团聚体被打开，达到分散碳纳米管的目的，但是这种机械分散方法对碳纳米管的结构造成了不同程度的损伤，且球磨转速越大这种结构损伤程度越大。
这些方法对于未纠缠的碳纳米管有良好的剪断、分散效果，但是对于团聚的碳纳米管颗粒团的分散效果不明显，有些方法，例如球磨，会损伤碳纳米管的结构，从而影响了碳纳米管发挥其优异的力学性能；强酸分散处理，不仅在分散过程中剪断了碳纳米管的长度，而且强酸的使用势必会造成二次污染和操作难度；另外上述专利中的制备方法过程繁琐，工艺流程长，耗费时间。因此，急需开发一种不破坏碳纳米管结构，不引入二次污染，工艺简化，而且又可以使碳纳米管得到稳定均匀分散的方法。
发明内容
本发明的技术目的主要针对当前在碳纳米管分散工艺过程中的不足，开发一种碳纳米管的均匀稳定分散方法。该方法通过一系列工艺流程对碳纳米管表面处理，使其均匀分散，然后在粘结剂的作用下使已经分散的碳纳米管固定在提供的固体颗粒表面上，被固定的碳纳米管不会脱落，从而碳纳米管不会产生二次团聚，且可以长久的保存。方法中所用分散剂为聚乙烯醇，同时其也作为粘结剂，起到固定碳纳米管的作用。该方法具有分散效果好、分散稳定、易操作、工艺流程短、制备周期短、环境污染小等优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，其步骤为：(1)碳纳米管分散剂和粘结剂的制备；(2)碳纳米管分散处理；(3)碳纳米管的分散固定；具体如下：
(1)碳纳米管分散剂和粘结剂的制备
将一定质量的聚乙烯醇加入到去离子水中，搅拌后水浴加热一定时间制成聚乙烯醇水溶液，冷却至室温，得到碳纳米管的分散剂；依照上述步骤，制备一定量高浓度的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，粘结剂的浓度大于分散剂的浓度；
优选：将一定质量的聚乙烯醇加入到去离子水中，搅拌后水浴加热一定时间制成聚乙烯醇水溶液，水浴温度为90℃，聚乙烯醇的浓度优选为0.5～3.0wt.％，冷却至室温，得到碳纳米管的分散剂；依照上述步骤，制备一定量高浓度的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂；
上述制备的分散剂与粘结剂的浓度比为1：4。
(2)碳纳米管的分散处理
将一定质量的碳纳米管加入到步骤(1)的分散剂中，碳纳米管的质量与分散液体积的比优选为0.1～20mg/ml，将上述混合液置于水浴中超声处理，水浴温度优选为20～40℃，水浴中超声处理时间优选为60～240min；
所述碳纳米管可为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或两种碳纳米管不同含量的组合，且碳纳米管的纯度优选不小于99.0wt.％。
(3)碳纳米管分散固定
将一定量的粒径范围为5μm-50μm的固体颗粒加入到步骤(2)中制得的碳纳米管分散液中，磁力搅拌一段时间后，得到混合浆料，静止后除去上层清液，加入步骤(1)中制备的粘结剂，磁力搅拌一定的时间后，在真空条件下加热到90℃，除去混合浆料中的水分，将干燥的混合料块研磨成粉。磁力搅拌时间优选为5～30min。其中真空度优选为-0.05～-0.01Mpa，时间优选为200～400min。
上述固体颗粒优选陶瓷颗粒、金属粉颗粒。
本发明所述的分散方法，在超声分散的基础上，加入分散剂(聚乙烯醇)使得碳纳米管团聚体打开更加有效，碳纳米管的分散更彻底，保持了碳纳米管的结构完整性，同时缩短了制备时间。另外聚乙烯醇除了作为分散剂还是一种有效的粘结剂，因此在加入固体颗粒后，在高速搅拌下，已被分散的碳纳米管在粘结剂的作用下以单根的形式固定在颗粒的表面，所用固体颗粒具有粒径小的特点，所以其具有很大的比表面积，这为彻底分散的碳纳米管提供了充足的固定位置，使得分散的碳纳米管不会再产生二次团聚。而且与现有技术相比，本发明所述方法具有分散效果好、易操作、工艺流程短、制备周期短、环境污染小等优点，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为原始碳纳米管团聚体低倍扫描形貌照片。
图2为原始碳纳米管团聚体高倍扫描形貌照片。
图3为实例1中经过分散剂(聚乙烯醇水溶液)和超声分散的碳纳米管扫描形貌照片。
图4为实例3中真空干燥后经过研磨的碳纳米管/金属颗粒混合物的扫描电镜照片，显示分散的碳纳米管被粘结剂固定在固体表面。
具体实施方式
下面结合具体的实施例进一步说明本发明，需要指出的是，以下实施例只用于说明本发明的具体实施方法，并不能限制本发明权利保护范围。
实施例1
(1)将1.5g聚乙烯醇(纯度为99.0wt％)加入到300ml去离子水中，搅拌后置于90℃水浴中保温90min，冷却至室温，得到分散碳纳米管的分散剂，将1g聚乙烯醇(纯度为99.0wt％)加入到50ml去离子水中，90℃水浴中保温180min，冷却至室温得到固定碳纳米管的粘结剂；
(2)将0.03g多壁碳纳米管(纯度为99.0wt.％)颗粒加入到步骤(1)的分散剂中，搅拌后将上述混合液置于水浴中超声60min，水浴温度控制在20℃；
(3)将30g纯铝粉(纯度为99.0wt.％，粒径为5μm)加入到步骤(2)中制得的碳纳米管分散液中，磁力搅拌5min，得到混合浆料，静止后除去上层清液，加入步骤(1)中制备的粘结剂，磁力搅拌5min后，在-0.05Mpa真空条件下加热到90℃，保温200min，将干燥的混合料块研磨成粉。
实施例2
(1)将3g聚乙烯醇(纯度为99.5wt％)加入到300ml去离子水中，搅拌后置于90℃水浴中保温90min，冷却至室温，得到分散碳纳米管的分散剂，将2g聚乙烯醇(纯度为99.0wt％)加入到50ml去离子水中，90℃水浴中保温180min，冷却至室温得到固定碳纳米管的粘结剂；
(2)将1.5g多壁碳纳米管(纯度为99.5wt.％)颗粒加入到步骤(1)的分散剂中，搅拌后将上述混合液置于水浴中超声180min，水浴温度控制在35℃；
(3)将30g陶瓷粉(纯度为99.5wt.％，粒径为10μm)加入到步骤(2)中制得的碳纳米管分散液中，磁力搅拌20min，得到混合浆料，静止后除去上层清液，加入步骤(1)中制备的粘结剂，磁力搅拌20min后，在-0.01Mpa真空条件下加热到90℃，保温300min，将干燥的混合料块研磨成粉。
实施例3
(1)将1.5g聚乙烯醇(纯度为99.0wt％)加入到300ml去离子水中，搅拌后置于95℃水浴中保温90min，冷却至室温，得到分散碳纳米管的分散剂，将1g聚乙烯醇(纯度为99.0wt％)加入到50ml去离子水中，90℃水浴中保温180min，冷却至室温得到固定碳纳米管的粘结剂；
(2)将0.3g多壁碳纳米管(纯度为99.5wt.％)颗粒加入到步骤(1)的分散剂中，搅拌后将上述混合液置于水浴中超声120min，水浴温度控制在40℃；
(3)将30g纯镁粉(纯度为99.0wt.％，粒径为35μm)加入到步骤(2)中制得的碳纳米管分散液中，磁力搅拌15分钟，得到混合浆料，静止后除去上层清液，加入步骤(1)中制备的粘结剂，磁力搅拌15min后，在-0.05Mpa真空条件下加热到90℃，保温400min，将干燥的混合料块研磨成粉。
实施例4
1)将9g聚乙烯醇(纯度为99.5wt％)加入到300ml去离子水中，搅拌后置于95℃水浴中保温180min，冷却至室温，得到分散碳纳米管的分散剂，将6g聚乙烯醇(纯度为99.0wt％)加入到50ml去离子水中，90℃水浴中保温180min，冷却至室温得到固定碳纳米管的粘结剂；
(2)将3g多壁碳纳米管(纯度为99.5wt.％)颗粒加入到步骤(1)的分散剂中，搅拌后将上述混合液置于水浴中超声240min，水浴温度控制在40℃；
(3)将30g陶瓷粉(纯度为99.0wt.％，粒径为20μm)加入到步骤(2)中制得的碳纳米管分散液中，磁力搅拌20分钟，得到混合浆料，静止后除去上层清液，加入步骤(1)中制备的粘结剂，磁力搅拌20min后，在-0.01Mpa真空条件下加热到90℃，保温300min，将干燥的混合料块研磨成粉。
实施例5
(1)将3g聚乙烯醇(纯度为99.9wt％)加入到300ml去离子水中，搅拌后置于85℃水浴中保温90min，冷却至室温，得到分散碳纳米管的分散剂，将4g聚乙烯醇(纯度为99.0wt％)加入到100ml去离子水中，90℃水浴中保温180min，冷却至室温得到固定碳纳米管的粘结剂；
(2)将6g多壁碳纳米管(纯度为99.0wt.％)颗粒加入到步骤(1)的分散剂中，搅拌后将上述混合液置于水浴中超声180min，水浴温度控制在40℃；
(3)将60g铜粉(纯度为99.0wt.％，粒径为50μm)加入到步骤(2)中制得的碳纳米管分散液中，磁力搅拌30分钟，得到混合浆料，静止后除去上层清液，加入步骤(1)中制备的粘结剂，磁力搅拌30min后，在-0.01Mpa真空条件下加热到90℃，保温300min，将干燥的混合料块研磨成粉。

Claims (8)

1.一种碳纳米管在金属粉体表面的分散方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)碳纳米管分散剂和粘结剂的制备
将一定质量的聚乙烯醇加入到去离子水中，搅拌后水浴加热一定时间制成聚乙烯醇水溶液，冷却至室温，得到碳纳米管的分散剂；依照上述步骤，制备一定量高浓度的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，粘结剂的浓度大于分散剂的浓度；
(2)碳纳米管的分散处理
将一定质量的碳纳米管加入到步骤(1)的分散剂中，将上述混合液置于水浴中超声处理；
(3)碳纳米管分散固定
将一定量的固体颗粒加入到步骤(2)中制得的碳纳米管分散液中，磁力搅拌一段时间后，得到混合浆料，静止后除去上层清液，加入步骤(1)中制备的粘结剂，磁力搅拌一定的时间后，在真空加热条件下除去混合浆料中的水分，将干燥的混合料块研磨成粉。
2.按照权利要求1所述的分散方法，其特征在于，所述的步骤(1)中分散剂中聚乙烯醇的浓度为0.5～3.0wt.％；分散剂与粘结剂中聚乙烯醇的浓度比为1:4。
3.按照权利要求1所述的分散方法，其特征在于，所述步骤(1)中的分散剂和粘结剂都为聚乙烯醇水溶液，且所用聚乙烯醇的纯度不小于99.0wt％。
4.按照权利要求1所述的分散方法，其特征在于，所述的步骤(2)中碳纳米管的质量与分散液体积的比为0.1～20mg/ml。
5.按照权利要求1所述的分散方法，其特征在于，所述的步骤(2)超声水浴温度为20～40℃，水浴中超声处理时间为60～240min。
6.按照权利要求1所述的分散方法，其特征在于，所述步骤(3)中固体颗粒粒径范围为5μm-50μm。
7.按照权利要求1所述的分散方法，其特征在于，固体颗粒为陶瓷颗粒或金属粉颗粒。
8.按照权利要求1所述的分散方法，其特征在于，所述步骤(3)中干燥的真空度范围为-0.1～-0.01Mpa，时间为60～240min。
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