CN108059151B - 一种碳纳米管分散剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纳米管分散剂及其制备方法。碳纳米管分散剂为聚乙二醇与丙烯腈的聚合物,具有由式I表示的重复单元。碳纳米管分散剂使CNT能够在介质例如有机溶剂中分散CNT如此分解以致独立尺寸。本发明的碳纳米管分散液仅需通过常规的砂磨机研磨即可分散,且分散效率高,能极大降低分散成本,适宜于大规模化的生产应用,未来可应用于、锂电池,机能性纺织品、涂料、医疗材料、碳管/银浆、及复合材料等高附加价值产品等,对特化产业有实用价值。
Description
技术领域
本发明属于高分子化合物制备技术领域,具体涉及一种碳纳米管分散剂及其制备方法。
背景技术
碳纳米管(下文可缩写为CNT)是在1991年由日本物理学家发现(Nature1991,354,56.),其为一种管状之碳分子,管上每个碳原子采取sp2混成轨道化,相互间以碳-碳σ及π键结合起来,形成由六边形组成的蜂窝状结构作为奈米碳管的骨架。按照管子的层数不同,分为单壁奈米碳管及多壁奈米碳管。管子的半径方向达到奈米尺度且具有sp2之共轭结构,因此CNT具有较佳之导电、导热、场发效应、韧性、刚性及高熔点,可作为高分子的填充材、燃料电池离子交换膜填充材、场效晶体管、场发射显示器、电极模块改质及气体侦测器的改质等应用。由于CNT分子间具有强大的凡得瓦尔力(van der Waals attractions),使得CNT容易纠结缠绕(entanglement)在一起,阻碍其应用上之发展。近年来,为了提升CNT在溶液中的分散性,其主要方法可分为化学改质法(chemical modification or chemicalfunctionalization),其机制为此种方法是将强酸作为氧化剂,在反应过程中碳管的管壁或末端形成带有含氧的官能基,将碳管切短成达數百米的短碳管,经过官能基化的碳管可以有效的分散在水溶液及不同的有机溶剂中,再利用atom transfer radicalpolymerization(J.Am.Chem.Soc.2003,125,16015.)和ring-opening polymerization(Nano Lett.2002,2,797.)共价键接枝长链段有机分子进而提升CNTs之分散性,但表面改质的过程中破坏了CNTs的sp2结构及长度,而导致CNTs原本性质下降,不利于应用效果。
另一方法为的物理吸附法(physisorption)或称为非共价键修饰(non-covalentmodification),此种方法利用界面活性剂当作分散剂(如:SDS)或以具有极性侧链的高分子(如PVP)缠绕在碳管四周,并施以外力,例如:超音波震荡或研磨等,或藉由溶剂的辅助而形成一具有奈米碳管复合材料,极性链段与溶液会形成稳定分散。
由于分散问题会导致在CNT的各种应用中的困难。为避免这一点,研究人员已经深入研究了通过表面重整、表面化学改性或类似方式改进CNT的可分散性的方法。且文献中所使用的分散剂所达到的分散系统奈米碳管固含量无法做高,并且必须使用大量分散剂以提高分散性,以致存在无法充分表现CNT本身极佳的机械,导热与导电等性质的疑虑。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够将CNT分散在介质例中达到其单ー尺寸的程度的碳纳米管分散剂。
本发明为了达到上述目的进行了深入研究,结果发现具有PEG聚乙二醇(Polyethylene Glycol)与丙烯腈(acrylonitrile)的聚合物在CNT的可分散性方面是优异的,并且当使用这种聚合物作为CNT分散剂时CNT可以分散到其单ー颗粒尺寸而无需附加处理,从而完成了本发明。
一种碳纳米管分散剂,所述碳纳米管分散剂为聚乙二醇与丙烯腈的聚合物,具有由式I表示的重复单元:
式中,m的数值范围为1-300;n数值范围为1-300;b代表嵌段共聚。
所述聚乙二醇与丙烯腈聚合物的平均分子量为10000-60000。
一种碳纳米管分散液,包括碳纳米管,上述碳纳米管分散剂,有机溶剂。
所述碳纳米管选自单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的至少ー种。
所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
上述的碳纳米管分散剂的制备方法,按照如下步骤进行:
A:在N2气氛中下,将PEG4000,丙烯腈,去离子水,置入三颈玻璃瓶中;
B:于15-25℃以磁石搅拌均匀后,加入硝酸铈铵,搅拌10-20min;
C:接着升温至75-85℃,搅拌3-5小时;
D:加入己烷,过滤沉积的沉淀物并在减压下在55-65℃下干燥9-11小时而获得产物。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:本发明的分散剂由具有PEG聚乙二醇与丙烯腈存在聚合物构成,以致它在CNT的可分散性方面优异并能够离散地分散CNT到其単一尺寸,因此,当使用本发明的分散剂时,CNT可以隔离到単一尺寸(长度:100-2000nm)的程度并且可以稳定地(没有凝聚),其中CNT以未结合状态单独地分散在介质中存在的状态,而不会由于CNT的相互凝聚集而形成块或集束。此外,CNT可以通过使含所述分散剂的溶液、CNT和有机溶剂经受机械处理例如超声波处理而分散。为了分散,可以省去附加的步骤例如热处理并且处理时间可以缩短。并且聚合物的平均分子量优选在10000-60000。如果聚合物的重均分子量小于10000,则CNT的可分散性可能显着地降低,当平均分子量超过60000时,在高浓度的CNT分散液可能存在分散处理的操作变得困难。而本发明使用有机溶剂的组合物中分散剂的浓度不是关键的,只要该浓度足以使CNT能够分散在有机溶剂中。在本发明实施例中,该浓度为占组合物的大约0.1-6wt%,更优选大约0.5-2wt%。此外,CNT在组合物中的浓度是任意的,只要该CNT的至少一部分均匀地分散。在本发明中,该浓度优选为占组合物的大约0.0001-20wt%,更优选大约1-10wt%。
附图说明
图1为聚合物PD-1NMR图谱。
图2为聚合物PD-2NMR图谱。
图3为聚合物PD-3NMR图谱。
图4为聚合物PD-4NMR图谱。
图5为聚合物PD-5NMR图谱。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
用于制备样品和分析物理性能的器件描述如下。
1.NMR核磁共振光谱(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy);
2.电阻率测定仪(表面电阻率测量);
探针:4-销探针ASP(内销距离:5mm)。
实施例1 PD-1的合成
A:在N2气氛中下,PEG4000聚乙二醇(Polyethylene Glycol)(40g,0.01mol),丙烯腈(acrylonitrile)(0.53g,0.01mol)去离子水(100g),置入250ml三颈玻璃瓶中;
B:于20℃以磁石搅拌均匀后,加入硝酸铈铵(NH4)2Ce(NO3)6(0.548g,0.001mol),搅拌15min;
C:接着升温至80℃,搅拌4小时;
D:加入100ml己烷,过滤沉积的沉淀物并在减压下在60℃下干燥10小时而获得产物,产率约83%,此高分子简称为PD-1。
所获得的PD-1通过NMR测量并计算,平均分子量Mw约在47000(如图1所示)。
实施例2 PD-2的合成
A:在N2气氛中下,PEG4000聚乙二醇(Polyethylene Glycol)(40g,0.01mol),丙烯腈(acrylonitrile)(1.06g,0.02mol)去离子水(100g),置入250ml三颈玻璃瓶中;
B:于20℃以磁石搅拌均匀后,加入硝酸铈铵(NH4)2Ce(NO3)6(0.548g,0.001mol),搅拌15min;
C:接着升温至80℃,搅拌4小时;
D:加入100ml己烷,过滤沉积的沉淀物并在减压下在60℃下干燥10小时而获得产物,产率约89%,此高分子简称为PD-2。
所获得的PD-2通过NMR测量并计算,平均分子量Mw约在20000(如图2所示)。
实施例3 PD-3的合成
A:在N2气氛中下,PEG4000聚乙二醇(Polyethylene Glycol)(80g,0.02mol),丙烯腈(acrylonitrile)(0.53g,0.01mol)去离子水(100g),置入250ml三颈玻璃瓶中;
B:于20℃以磁石搅拌均匀后,加入硝酸铈铵(NH4)2Ce(NO3)6(0.548g,0.001mol),搅拌15min;
C:接着升温至80℃,搅拌4小时;
D:加入100ml己烷,过滤沉积的沉淀物并在减压下在60℃下干燥10小时而获得产物,产率约90%,此高分子简称为PD-3。
所获得的PD-3通过NMR测量并计算,平均分子量Mw约在14000(如图3所示)。
实施例4 PD-4的合成
A:在N2气氛中下,PEG4000聚乙二醇(Polyethylene Glycol)(40g,0.01mol),丙烯腈(acrylonitrile)(1.59g,0.03mol)去离子水(100g),置入250ml三颈玻璃瓶中;
B:于20℃以磁石搅拌均匀后,加入硝酸铈铵(NH4)2Ce(NO3)6(0.548g,0.001mol),搅拌15min;
C:接着升温至80℃,搅拌4小时;
D:加入100ml己烷,过滤沉积的沉淀物并在减压下在60℃下干燥10小时而获得产物,产率约88%,此高分子简称为PD-4。
所获得的PD-4通过NMR测量并计算,平均分子量Mw约在54000(如图4所示)。
实施例5 PD-5的合成
A:在N2气氛中下,PEG1000聚乙二醇(Polyethylene Glycol)(10g,0.01mol),丙烯腈(acrylonitrile)(1.59g,0.03mol)去离子水(50g),置入125ml三颈玻璃瓶中;
B:于20℃以磁石搅拌均匀后,加入硝酸铈铵(NH4)2Ce(NO3)6(0.548g,0.001mol),搅拌15min;
C:接着升温至80℃,搅拌4小时;
D:加入50ml己烷,过滤沉积的沉淀物并在减压下在60℃下干燥10小时而获得产物,产率约85%,此高分子简称为PD-5。
所获得的PD-5通过NMR测量并计算,平均分子量Mw约在22000(如图5所示)。
上述聚合物简易和成流程图如下:
Synthetic route:
实施例6含碳纳米管的组合物的制备
CNT(非纯化MWCNT FT7000,具有5-10nm的外径,由CNano Inc.Co.制备)通过使用PD-1的分散,将合成实施例1中合成的作为分散剂的4g PD-1溶解在380g NMP中,其中添加作为MWCNT的16CNT。使用立式罐体并加入400g 0.3mm锆珠400g,使这种混合物在室温下(大约25℃)经受机械研磨处理4小时而获得黑色含MWCNT的分散体,最后过滤锆珠,得到MWCNT分散液体,均匀地分散而没有沉淀。
实施例7含碳纳米管的组合物的制备
CNT(非纯化MWCNT FT7000,具有5-10nm的外径,由CNano Inc.Co.制备)通过使用PD-1的分散,将合成实施例2中合成的作为分散剂的4g PD-2溶解在380g NMP中,其中添加作为MWCNT的16CNT。使用立式罐体并加入400g 0.3mm锆珠400g,使这种混合物在室温下(大约25℃)经受机械研磨处理4小时而获得黑色含MWCNT的分散体,最后过滤锆珠,得到MWCNT分散液体,均匀地分散而没有沉淀。
实施例8含碳纳米管的组合物的制备
CNT(非纯化MWCNT FT7000,具有5-10nm的外径,由CNano Inc.Co.制备)通过使用PD-3的分散,将合成实施例3中合成的作为分散剂的4g PD-3溶解在380g NMP中,其中添加作为MWCNT的16CNT。使用立式罐体并加入400g 0.3mm锆珠400g,使这种混合物在室温下(大约25℃)经受机械研磨处理4小时而获得黑色含MWCNT的分散体,最后过滤锆珠,得到MWCNT分散液体,均匀地分散而没有沉淀。
实施例9含碳纳米管的组合物的制备
CNT(非纯化MWCNT FT7000,具有5-10nm的外径,由CNano Inc.Co.制备)通过使用PD-1的分散,将合成实施例4中合成的作为分散剂的4g PD-4溶解在380g NMP中,其中添加作为MWCNT的16CNT。使用立式罐体并加入400g 0.3mm锆珠400g,使这种混合物在室温下(大约25℃)经受机械研磨处理4小时而获得黑色含MWCNT的分散体,最后过滤锆珠,得到MWCNT分散液体,均匀地分散而没有沉淀。
实施例10含碳纳米管的组合物的制备
CNT(非纯化MWCNT FT7000,具有5-10nm的外径,由CNano Inc.Co.制备)通过使用PD-1的分散,将合成实施例5中合成的作为分散剂的4g PD-5溶解在380g NMP中,其中添加作为MWCNT的16CNT。使用立式罐体并加入400g 0.3mm锆珠400g,使这种混合物在室温下(大约25℃)经受机械研磨处理4小时而获得黑色含MWCNT的分散体,最后过滤锆珠,得到MWCNT分散液体,均匀地分散而没有沉淀。
比较例1
CNT(非纯化MWCNT FT7000,具有5-10nm的外径,由CNano Inc.Co.制备)通过使用PD-1的分散,将PVP(聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone))K15 4g溶解在380g NMP中,其中添加作为MWCNT的16CNT。使用立式罐体并加入400g 0.3mm锆珠400g,使这种混合物在室温下(大约25℃)经受机械研磨处理4小时而获得黑色含MWCNT的分散体,最后过滤锆珠,得到MWCNT分散液体。
实施例11含碳纳米管的组合物薄膜的制备
用和实施例6中ー样的方式,并将过滤过的CNT分散液体取出3克,利用20微米间隙刮刀涂布于PET上,烘烤120℃一小时,制备了含MWCNT的薄膜复合体,并利用四探针电阻仪测试其导电度。
实施例12含碳纳米管的组合物薄膜的制备
用和实施例7中ー样的方式,并将过滤过的CNT分散液体取出3克,利用20微米间隙刮刀涂布于PET上,烘烤120℃一小时,制备了含MWCNT的薄膜复合体,并利用四探针电阻仪测试其导电度。
实施例13含碳纳米管的组合物薄膜的制备
用和实施例8中ー样的方式,并将过滤过的CNT分散液体取出3克,利用20微米间隙刮刀涂布于PET上,烘烤120℃一小时,制备了含MWCNT的薄膜复合体,并利用四探针电阻仪测试其导电度。
实施例14含碳纳米管的组合物薄膜的制备
用和实施例9中ー样的方式,并将过滤过的CNT分散液体取出3克,利用20微米间隙刮刀涂布于PET上,烘烤120℃一小时,制备了含MWCNT的薄膜复合体,并利用四探针电阻仪测试其导电度。
实施例15含碳纳米管的组合物薄膜的制备
用和实施例10中ー样的方式,并将过滤过的CNT分散液体取出3克,利用20微米间隙刮刀涂布于PET上,烘烤120℃一小时,制备了含MWCNT的薄膜复合体,并利用四探针电阻仪测试其导电度。
比较例2
用和比较例1中ー样的方式,并将过滤过的CNT分散液体取出3克,利用20微米间隙刮刀涂布于PET上,烘烤120℃一小时,制备了含MWCNT的薄膜复合体,并利用四探针电阻仪测试其导电度。
评价上述实施例11-15和比较例2中获得的薄膜复合体的薄膜均匀性和表面电阻,将指出的是,基于以下标准通过目测评价薄膜均匀性。其评价结果在表I中示出。
表I CNT薄膜性质评价
薄膜均匀性
O:无凝聚物和膜不均匀(浓淡)都不能看到;Δ:观察到MWCNT的凝聚物或膜不均匀(浓淡);X:几乎在薄膜的所有部分都能观察到MWCNT的凝聚物或膜不均匀(浓淡),使得不能作为膜评价。此外,使上面所获得的含MWCNT的分散体在室温下静置(大约25℃)1个月,接着通过目测看出分散体中存在沉淀物,从而根据以下标准评价分散体的分散稳定性。评价结果也在表I中示出。
分散稳定性
O:不能看出沉淀物;Δ:观察到沉淀物;X:分散状态不能保持并且大多数MWCNT表现为沉淀物。
如表I所示,当为PVP比较之比较例1与实施例11-15对比时,清楚地看出,本发明的分散剂的使用使得CNT能够稳定地以高浓度分散,从而表现出对于CNT的分散是重要的。此外,与是已知的分散剂的PVP比较,当其中CNT/分散剂混合比在分别相同水平的实施例11-15与比较例2,尽管表面电阻为参考值,但是将看出具有PVP的薄膜是不均匀的,因此导电度并不能得到较佳的评价。在另一方面,使用本发明的分散剂的情况下,CNT在薄膜制备中的均匀性高,结果是表面电阻稳定地指示30-100Ω/ロ的水平,而以PVP为分散剂所制备的CNT薄膜。表面电阻高达300Ω/ロ,为本专利所合成的CNT分散剂所制成CNT薄膜的3-10倍以上,从上述已经掲示,本发明的分散剂在获得高度导电性均匀薄膜复合体方面是有利的。并且,可以广泛地应用于分散可商购的MWCNT。
以上公开的仅为本发明的具体实施例,但是,本发明并非局限于此,任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种碳纳米管分散液,其特征在于,包括碳纳米管,碳纳米管分散剂,有机溶剂;
使用所述碳纳米管分散剂制成的碳纳米管薄膜的表面电阻为30-100Ω/□;
所述碳纳米管分散剂为聚乙二醇与丙烯腈的聚合物,具有由式I表示的重复单元:
式中,m的数值范围为1-300;n数值范围为1-300;b代表嵌段共聚,
所述聚乙二醇与丙烯腈聚合物的平均分子量为22000-60000;
其中所述碳纳米管分散剂的制备方法如下:
A:在N2气氛下,将PEG4000,丙烯腈,去离子水,置入三颈玻璃瓶中;
B:于15-25℃以磁石搅拌均匀后,加入硝酸铈铵,搅拌10-20min;
C:接着升温至75-85℃,搅拌3-5小时;
D:加入己烷,过滤沉积的沉淀物并在减压下在55-65℃下干燥9-11小时而获得产物。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管分散液,其特征在于,所述碳纳米管选自单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的至少ー种。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管分散液,其特征在于,所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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