CN109610046A - 一种利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法及改性碳纳米管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法及改性碳纳米管，其中，所述包括步骤：提供碳纳米管阵列及聚苯乙烯；将碳纳米管阵列及聚苯乙烯置于保护气体气氛中进行紫外光处理，使得聚苯乙烯与碳纳米管阵列发生接枝聚合反应，得到改性碳纳米管。本发明解决了现有技术中碳纳米管难以与聚碳酸酯结合，导致无法通过向聚碳酸酯基质中添加碳纳米管来增加聚碳酸酯的机械强度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及碳纳米管技术领域，尤其涉及一种利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法及改性碳纳米管。
背景技术
碳纳米管是一种纳米尺度的管状碳分子，具有很多优越的物理化学特性，如超高的弹性模量、在管长方向上超过金属的导电性、以及在径向的柔韧性和绝缘性等，这些性能都决定了碳纳米管在纳米电子领域和生化探测器领域的重要地位。
聚碳酸酯树脂由于具有优秀的强度和刚性，因此常被用来制作电子仪器的框体。然而，随着电子仪器的便携化发展，需要实现电子仪器的轻量化，这就不可避免的需要实现其框体的薄化，轻量化。以往的聚碳酸酯树脂其流动性和机械强度，刚性都无法满足现有的发展要求；由于流动性的限制，其很难形成薄化形状的产品；此外，由于其成型品的弯曲强度较低，在外力作用下极易发生形变，因而很容易对内部的电子器件造成损坏。
为了改善聚碳酸酯树脂的流动性及机械强度等性能，人们开发了向聚碳酸酯基质中添加聚苯乙烯以提高其流动性，添加碳纳米管以增加其机械强度。然而，由于碳纳米管纤维表面过于光滑，其和聚碳酸酯与聚苯乙烯之间的力学传递、相容性不是十分理想，因此最后产品的性能提升也十分有限。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法及改性碳纳米管，旨在解决现有技术中碳纳米管难以与聚碳酸酯结合，导致无法通过向聚碳酸酯基质中添加碳纳米管来增加聚碳酸酯的机械强度的问题。
本发明的技术方案如下：
一种利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其中，包括步骤：
提供碳纳米管阵列及聚苯乙烯；
将碳纳米管阵列及聚苯乙烯置于保护气体气氛中进行紫外光处理，使得聚苯乙烯与碳纳米管阵列发生接枝聚合反应，得到改性碳纳米管。
所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其中，将碳纳米管阵列及聚苯乙烯分别平铺置于保护气体气氛中进行紫外光处理，且控制聚苯乙烯平铺后的厚度为2~5mm。
所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其中，所述紫外光处理的波长为216nm。
所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其中，所述紫外光处理的功率为50~60mW，时间为20~40mins。
所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其中，所述保护气体为氮气或惰性气体。
所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其中，在进行紫外光处理时，控制保护气体持续流动，且设置聚苯乙烯位于上风口位置。
所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其中，碳纳米管阵列为多壁纳米管阵列，平均长度为1000μm，碳纳米管的直径为12~15nm。
所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其中，所述碳纳米管阵列的制备步骤包括：在基片上沉积催化剂层，放置于化学气相沉积反应炉中并通入保护气体，升温至700℃，再通入碳源气体，流量控制在1.5L/min，反应20min，从而在基底上生成碳纳米管阵列。
所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其中，所述聚苯乙烯的平均分子量为3000。
所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其中，还包括步骤：将改性碳纳米管纺丝成直径6~20μm的碳纳米管纤维。
一种改性碳纳米管，其中，由如上所述的改性方法改性而成。
有益效果：本发明在保护气体气体中通过紫外光照射处理，使聚苯乙烯与碳纳米管发生接枝聚合反应，从而在碳纳米管表面接枝上聚苯乙烯分子，形成改性碳纳米管，聚苯乙烯分子的存在使得该改性碳纳米管无论与聚碳酸酯还是聚苯乙烯都有很好的相容性和力学传递性能，使得在向聚碳酸酯基质中添加聚苯乙烯以提高其流动性时，可以添加所述的改性碳纳米管以增加其机械强度，从而增强了材料整体的力学传递性能。
附图说明
图1为本发明所述利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法较佳实施例流程示意图。
具体实施方式
本发明提供一种利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法及改性碳纳米管，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。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。
本发明所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，如图1所示，包括步骤：
S1、提供碳纳米管阵列及聚苯乙烯；
S2、将碳纳米管阵列及聚苯乙烯置于保护气体气氛中进行紫外光处理，使得聚苯乙烯与碳纳米管阵列发生接枝聚合反应，得到改性碳纳米管。
本发明上述的方法中，需要先提供碳纳米管阵列及聚苯乙烯，然后将碳纳米管阵列及聚苯乙烯分别平铺后并排放置置于保护气体气氛中，然后进行紫外光处理，在紫外光的照射作用，有利于提供反应体系的热效应，使得体系为温度升高至聚苯乙烯形成气体状态，并在保护气体气流的作用下移动至碳纳米管阵列的表面与碳纳米管阵列发生接枝聚合反应，同时，紫外光照射能够使碳纳米管表面的C=C双键打开从而产生悬空键，也会使聚苯乙烯产生部分断裂形成自由基，当自由基和碳纳米管表面的悬空键接触后，即可成键，使得聚苯乙烯被进一步接枝到碳纳米管表面，得到改性碳纳米管，该改性碳纳米管经紫外照射活化，有利于与聚碳酸酯及聚苯乙烯；同时，改性碳纳米管表面接枝了一层聚苯乙烯，为其进一步与聚碳酸酯及聚苯乙烯结合提供了更多的结合位点，能够结合更多的聚碳酸酯及聚苯乙烯结合。
所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法中，将碳纳米管阵列及聚苯乙烯分别平铺置于保护气体气氛中进行紫外光处理，且控制聚苯乙烯平铺后的厚度为2~5mm，以便于紫外光均匀活化聚苯乙烯。
所述保护气体氮气或惰性气体，并在在进行紫外光处理时，控制保护气体持续流动，且设置聚苯乙烯位于上风口，持续流动的保护气体可以加快聚苯乙烯移动至碳纳米管阵列的表面与碳纳米管阵列，使二者发生接枝聚合反应。
所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法中，所述紫外光处理的波长为216nm，波长太长无法有效活化碳纳米管及聚苯乙烯，波长太短则容易破坏碳纳米管阵列本身结构，造成碳纳米管损伤。
其中，所述紫外光处理的功率为50~60mW，时间为20~40mins。优选地，所述紫外光处理的功率为55mW，时间为30mins，处理时间过长会导致聚苯乙烯的降解。
所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其中，碳纳米管阵列为多壁纳米管阵列，平均长度为1000μm，碳纳米管的直径为12~15nm。其中，所述碳纳米管阵列的制备步骤包括：在基片上沉积催化剂层，放置于化学气相沉积反应炉中并通入保护气体，升温至700℃，再通入碳源气体，流量控制在1.5L/min，反应20min，从而在基片上生成碳纳米管阵列。
优选地，所述聚苯乙烯的平均分子量为2000~20000，分子量太小无法达到接枝改性的目的，而分子量过大则活性困难导致接枝改性失败。更优选地的，控制接枝成功的聚苯乙烯的平均分子量为3000。
优选地，所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，还包括步骤：将改性碳纳米管纺丝成直径6~20μm的碳纳米管纤维，以增强碳纳米管的整体力学性能。具体步骤如下：将上述生成有碳纳米管阵列的基片固定，通过纺丝工具，夹取碳纳米管阵列进行纺丝，制成平均直径为6~20μm的碳纳米管纤维；通过剪切工具，将碳纳米管纤维剪切为不同长度的碳纳米管短纤维。短纤维的数平均纤维长优选在2.7~8.9mm范围内。当数平均纤维长度在2.7mm以下时，对整个复合材料的机械强度的提升并没有明显效果；当数平均纤维长度8.9mm以上时，在制造复合材料时，会造成短纤维在基质中的分散性下降，甚至发生脱落。
基于上述方法，本发明申请还提供了一种改性碳纳米管，其中，由如上所述的改性方法改性而成。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
（1）制备碳纳米管阵列：在第一基片上沉积催化剂层，放置于化学气相沉积反应炉中并通入保护气体，升温至700℃，再通入碳源气体，流量控制在1.5L/min，反应20min，从而在第一基片上生成平均长度为1000μm、直径为12~15nm的碳纳米管阵列；
（2）制备多壁碳纳米管-聚苯乙烯纳米化合物（即改性碳纳米管）：将制得的碳纳米管阵列连同第一基片一起准备；准备第二基片，并在第二基片上形成厚度为3.5mm的聚苯乙烯薄膜，将生成有碳纳米管阵列的第一基片及形成由聚苯乙烯薄膜的第二基片平行并排放置于照射功率为55mW、波长为216nm的高能紫外灯下，紫外光的照射时间为30mins；然后关闭紫外光组件，将碳纳米管阵列暴露于氮气氛围下至自然冷却，得到表面改性碳纳米管阵列；
（3）将改性碳纳米管纺织成纤维：将上述生成有碳纳米管阵列的第一基片固定，通过纺丝工具，夹取碳纳米管阵列进行纺丝，制成平均直径为10.5μm的碳纳米管纤维；通过剪切机，将碳纳米管纤维剪切为长度为2.7~8.9mm的碳纳米管短纤维。
经测定，所制得的表面改性碳纳米管阵列表面的聚苯乙烯的平均分子量为3000左右；
经检验，所制得的碳纳米管短纤维在由聚苯乙烯分子及聚碳酸酯的基质中的分散性能良好，无论与聚碳酸酯还是聚苯乙烯都有很好的相容性和力学传递性能，增强了材料整体的力学传递性能，所形成的复合材料的刚性和弯曲强度都得到了大幅提升，可实现产品的轻量化和坚硬化。
综上所述，本发明所提供的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法及改性碳纳米管，通过在保护气体气体中通过紫外光照射处理，使聚苯乙烯与碳纳米管发生接枝聚合反应，从而在碳纳米管表面接枝上聚苯乙烯分子，形成改性碳纳米管，聚苯乙烯分子的存在使得该改性碳纳米管无论与聚碳酸酯还是聚苯乙烯都有很好的相容性和力学传递性能，使得在向聚碳酸酯基质中添加聚苯乙烯以提高其流动性时，可以添加所述的改性碳纳米管以增加其机械强度，从而增强了材料整体的力学传递性能。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其特征在于，包括步骤：
提供碳纳米管阵列及聚苯乙烯；
将碳纳米管阵列及聚苯乙烯置于保护气体气氛中进行紫外光处理，使得聚苯乙烯与碳纳米管阵列发生接枝聚合反应，得到改性碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其特征在于，将碳纳米管阵列及聚苯乙烯分别平铺置于保护气体气氛中进行紫外光处理，且控制聚苯乙烯平铺后的厚度为2~5mm。
3.根据权利要求1所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其特征在于，所述紫外光处理的波长为216nm。
4.根据权利要求3所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其特征在于，所述紫外光处理的功率为50~60mW，时间为20~40mins。
5.根据权利要求1所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其特征在于，所述保护气体为氮气或惰性气体。
6.根据权利要求1所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其特征在于，在进行紫外光处理时，控制保护气体持续流动，且设置聚苯乙烯位于上风口位置。
7.根据权利要求1所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其特征在于，碳纳米管阵列为多壁纳米管阵列，平均长度为850~1350μm，碳纳米管的直径为12~15nm。
8.根据权利要求1所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其特征在于，所述聚苯乙烯的平均分子量为2000~20000。
9.根据权利要求1所述的利用聚苯乙烯改性碳纳米管的方法，其特征在于，还包括步骤：将改性碳纳米管纺丝成直径6~20μm的碳纳米管纤维。
10.一种改性碳纳米管，其特征在于，由如权利要求1~9任一所述的改性方法改性而成。
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