CN108314011A - 一种碳纳米管的稳定分散方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳定的碳纳米管水基溶液的制备方法，首先将碳纳米管与混酸按照适当比例混合，经无光条件冷凝回流后，进行水洗，干燥，然后置于水性溶液中，调节pH值得到稳定的碳纳米管分散液。本发明方法涉及的成本低、操作简便、反应条件温和，所得碳纳米管具有优异的分散性能，为碳纳米管改性技术提供了一条新途径，具有重要的经济和环境效益。

Description

一种碳纳米管的稳定分散方法

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种碳纳米管的稳定分散技术。

背景技术

1991年，日本电镜专家Iijima首次发现了碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)，碳纳米管是由石墨碳原子层卷曲而成的碳管，管直径一般为几个纳米到几十个纳米，管壁厚度仅为几个纳米，像铁丝网卷成的一个空心圆柱状“笼形管”。由于碳纳米管的径向尺寸很小，管的直径一般在几纳米到几十纳米，而碳纳米管的长度一般在几微米到几毫米，因此，碳纳米管被认为是一种典型的一维纳米材料。针对碳纳米管的不同性能。对其应用研究已经涉及到纳米电子器件、场发射器、储氢材料、电极材料和复合材料等许多方面，是21世纪最有前途的纳米材料之一。

由于CNTs的纳米结构和分子直接的范德华力，将其作为增强、改性材料时往往产生大量的团聚现象，限制其在增强、改性材料等中的应用。目前，对碳纳米管的分散，研究人员做了一系列的探究，YangWang等人通过超声处理被混合酸(浓硫酸、浓硝酸)氧化后的CNTs来提高其分散性，得到在水溶液中稳定悬浮近两个月CNTs，Jumping Zhang等人利用聚合物修饰CNTs，通过控制pH值和温度提高了CNTs的表面活性。上述研究，都只能在短时间内保证产品的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种碳纳米管的稳定分散方法，该方法涉及的成本低、操作简便、反应条件温和，其所得碳纳米管具有优异的分散性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种碳纳米管的稳定分散方法，包括如下步骤：1)将碳纳米管与混合酸混合并进行冷凝回流；2)将步骤1)处理所得碳纳米管水洗至中性，进行离心分离，干燥；3)将碳纳米管分散水中得碳纳米管水基分散液；4)调节水基碳纳米管分散液的pH值至4-11，得稳定的碳纳米管水基分散液。

上述方案中，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，其长径比为1000～2000。

上述方案中，步骤1)中所述碳纳米管在混合酸中的浓度为0.01～0.05g/ml。

上述方案中，所述混合酸由浓硝酸和浓硫酸混合而成。

优选的，所述浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:(1～5)；浓硝酸浓度为65～68wt％；浓硫酸浓度为96～98wt％。

更优选的，所述浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:(2.5～3)

上述方案中，所述冷凝回流采用无光条件，冷凝回流温度为79～90℃，时间为5～7h；本发明采用的无光条件，可有效抑制浓硝酸的见光分解，提高混酸对碳纳米管表面的氧化效果，以显著改善所得碳纳米管在水溶液中的稳定分散性能。

上述方案中，所述干燥温度为70～120℃，干燥时间6～24h。

上述方案中，所述离心机转速为800r/min以上，时间为10～15min，离心次数为8～10次。

上述方案中，所述碳纳米管水基分散液中碳纳米管的浓度为3-5wt％。

上述方案中，采用氨水、醋酸或稀释后的盐酸进pH值调节。

根据上述方案制备碳纳米管水基分散液，在500天不沉降，具有优异的分散性能和稳定性能，适用于纳米电子器件、场发射器、储氢材料、电极材料和复合材料等领域。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)经本发明处理的碳纳米管具有优异的分散性能，制备出稳定(500天不沉降)的碳纳米管水基溶液；

2)采用的原料简单易得，有利于降低成本，涉及的处理步骤简便，操作性强，反应温度较低，有利于节能降耗；

3)所得稳定的碳纳米管水基溶液能应用于纳米电子器件、场发射器、储氢材料、电极材料和复合材料等领域。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中，采用的碳纳米管为国药集团化学试剂有限公司提供的多壁碳纳米管，其长径比约为1500。

以下实施例中，采用的浓硝酸的浓度为98wt％，浓硫酸的浓度为65％。

实施例1

一种碳纳米管的稳定分散方法，包括如下步骤：

取5g碳纳米管和200ml的混合酸(浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:3)，加入到三嘴烧瓶中，在无光环境下，80℃冷凝回流6小时，取出后用去离子水清洗至中性，在1000r/min转速下离心10min，10次，离心后在80℃烘箱内干燥12小时，取出后配置成3wt％的水基悬浮液，再用氨水和醋酸调节悬浮液的pH值为7，得稳定的碳纳米管水基分散液。

一周后，碳纳米管仍稳定悬浮在水溶液中。

将本实施例所得碳纳米管水基分散液调节至碳纳米管浓度为0.1g/ml的碳纳米管溶液，并将2ml上述碳纳米管溶液加入50g氧化锆粉体中，混合球磨后通过凝胶注模成型制备得氧化锆陶瓷，测试结果表明氧化锆陶瓷的抗弯强度可提升30％左右。

实施例2

一种碳纳米管的稳定分散方法，包括如下步骤：

取5g碳纳米管和200ml的混合酸(浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:3)，加入到三嘴烧瓶中，在无光环境下，80℃冷凝回流6小时，取出后用去离子水清洗至中性，在转速1000r/min下的离心10min，10次，离心后在80℃烘箱内干燥12小时，取出后配置成4wt％的水基溶液，用氨水和醋酸调节pH值为7。

一周后，碳纳米管稳定悬浮在水溶液中。

实施例3

一种碳纳米管的稳定分散方法，包括如下步骤：

取23g碳纳米管和200ml的混合酸(浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:3)，加入到三嘴烧瓶中，在无光环境下，80℃冷凝回流6小时，取出后用去离子水清洗至中性，在1000r/min转速下离心10min，10次，离心后在80℃烘箱内干燥12小时，取出后配置成3wt％的水基悬浮液，再用氨水和醋酸调节悬浮液的pH值为10，得稳定的碳纳米管水基分散液。

将所得碳纳米管水基分散液进行静置观察，结果表明，所得碳纳米管水基分散液可维持500天不沉降，具有优异的稳定分散性能。

对比例1

取5g碳纳米管和200ml的混合酸(浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:3)，加入到三嘴烧瓶中，在自然光环境下，80℃冷凝回流6小时，取出后用去离子水清洗至中性，在转速1000r/min下的离心10min，10次，离心后在80℃烘箱内干燥12小时，取出后配置成3wt％的水基溶液，用氨水和醋酸调节pH值为7。

将所得水基溶液进行静置观察，三天后，观察到碳纳米管沉淀在水溶液中。

对比例2

取5g碳纳米管和200ml的混合酸(浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:3)，加入到三嘴烧瓶中，在强光环境下，80℃冷凝回流6小时，取出后用去离子水清洗至中性，在1000r/min转速下离心10min，10次，离心后在80℃烘箱内干燥12小时，取出后配置成3wt％的水基悬浮液液，用氨水和醋酸调节悬浮液的pH值为2。

将所得水基溶液进行静置观察，三天后，观察到碳纳米管沉淀在水溶液中。

对比例3

取5g碳纳米管和200ml的混合酸(浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:3)，加入到三嘴烧瓶中，在无光环境下，80℃冷凝回流6小时，取出后用去离子水清洗至中性，在1000r/min转速下离心10min，10次，离心后在80℃烘箱内干燥12小时，取出后配置成3wt％的水基溶液，用氨水和醋酸调节pH值为2.5。

将所得水基溶液进行静置观察，一周后，观察到碳纳米管沉淀在水溶液中。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种碳纳米管的稳定分散方法，包括如下步骤：1)将碳纳米管与混合酸混合并进行冷凝回流；2)将步骤1)处理所得碳纳米管水洗至中性，进行离心分离，干燥；3)将碳纳米管分散水中得碳纳米管水基分散液；4)调节水基碳纳米管分散液的pH值至4-11，得稳定的碳纳米管水基分散液。

2.根据权利要求1所述的稳定分散方法，其特征在于，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，其长径比为1000～2000。

3.根据权利要求1所述的稳定分散方法，其特征在于，步骤1)中所述碳纳米管在混合酸中的浓度为0.01～0.05g/ml。

4.根据权利要求1所述的稳定分散方法，其特征在于，所述混合酸由浓硝酸和浓硫酸混合而成。

5.根据权利要求4所述的稳定分散方法，其特征在于，所述浓硝酸和浓硫酸的体积比为1:(1～5)。

6.根据权利要求4所述的稳定分散方法，其特征在于，所述浓硝酸浓度为65～68wt％；浓硫酸浓度为96～98wt％。

7.根据权利要求1所述的稳定分散方法，其特征在于，所述冷凝回流采用无光条件，冷凝回流温度为79～90℃，时间为5～7h。

8.根据权利要求1所述的稳定分散方法，其特征在于，所述碳纳米管水基分散液中碳纳米管的浓度为3～5wt％。