CN114516630B - 一种提高碳纳米管的分散性的方法 - Google Patents

一种提高碳纳米管的分散性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高碳纳米管的分散性的方法，属于材料技术领域。本发明以原始碳纳米管为原料，依次通过特定条件的预氧化处理、气流粉碎、高压浸润、高速乳化分散、粗磨、细磨这一系列物理/化学方法，将碳纳米管均匀的分散到碳纳米管分散液中，解决了碳纳米管分散液中碳纳米管不易分散、容易团聚、分散浓度小等问题，本发明的方法易于操作，且不会降低碳纳米管的导电导热及机械性能，分散效果好。

Description

一种提高碳纳米管的分散性的方法
技术领域
本发明涉及一种提高碳纳米管的分散性的方法，属于材料技术领域。
背景技术
碳纳米管是一种具有纳米尺寸的一维材料，其具有许多优异的力学和电学特性，因此碳纳米材料越来越受到人们的关注。随着对碳纳米材料的不断研究，碳纳米管的广阔应用前景也将不断涌现。例如，近年来碳纳米管作为优良的导电剂，已在新能源汽车锂电池行业得到广泛应用。因其具有超高长径比和高导电性，与传统导电剂石墨、导电炭黑(superP)相比，很少的添加量，便能在电极内组建高效的三维导电网络结构，导电效率极高，同时可提升电池能量密度、使用寿命等关键指标。因此碳纳米管导电剂取代传统导电剂已成为趋势。
但是，由于碳纳米管之间存在较强的相互作用力，导致碳纳米管容易缠绕在一起或团聚成束，从而大大制约了碳纳米管的应用。因此，在不影响或保持碳纳米管的高性能前提下，有效的分散碳纳米管成了必须解决的难题之一。
发明内容
为了在不影响或保持碳纳米管的高性能前提下，有效的分散碳纳米管，本发明的技术方案如下：
本发明的第一目的在于提供一种提高碳纳米管的分散性的方法，包括如下步骤：
(1)将二氧化碳与氮气的混合气体通入装有碳纳米管的预氧化炉里，在混合气体的流化下升温至500℃保温30min，处理结束后将物料通过氮气输送至储存罐内，使用氮气保护冷却至常温；预氧化处理的目的是将碳纳米管中的一些不溶性物质变成可溶性物质，氮气保护冷却是为了防止再次被还原。
(2)使用气流粉碎机粉碎步骤(1)所得碳纳米管颗粒使团聚体解体，粉碎后物料使用布袋收集；
(3)向乳化罐内投入375kg溶剂、5kg分散剂，搅拌均匀后加入20kg步骤(2)所得碳纳米管粉末，密封罐体；使用高压氮气充气加压至20MPa，使用磁力耦合高速分散盘进行高速乳化，转速1800转/min，乳化剪切90min后停止作业，缓慢泄压，得到外观呈均匀膏状的物料；
(4)将步骤(3)所得膏状的物料通过柱塞泵输送至搅拌桶内，使用装填200kg、直径1.2-1.5mm锆珠的90L砂磨机对物料进行A-B罐倒罐循环砂磨，待物料粘度降低至30000cp以下，将浆料通过隔膜泵输送至搅拌桶内，然后使用装填200kg、直径0.8-1.0mm锆珠的90L砂磨机对物料进行A-B罐循环砂磨，待物料细度降低至20微米以下，输送成品物料至收料桶内；
(5)从步骤(4)所得成品物料中取样，涂布在基材上，真空烘干，观察碳纳米管的分散状况。
作为本发明的一种优选实施方式，在步骤(1)中，二氧化碳与氮气的流量比为1:5。
作为本发明的一种优选实施方式，在步骤(2)中，气流粉碎机的参数：进料压力设置为0.3MPa，粉碎压力设置为0.9MPa，分级轮精度为50微米，压缩空气露点为-30℃。
作为本发明的一种优选实施方式，在步骤(3)中，溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
作为本发明的一种优选实施方式，在步骤(3)中，分散剂为PVPK30。
作为本发明的一种优选实施方式，在步骤(5)中，所述基材为铝箔。
本发明的第二目的在于提供前述方法在碳纳米管微观形貌表征中的应用。
有益效果：
1、本发明主要是解决碳纳米管分散液中碳纳米管不易分散、容易团聚、分散浓度小等问题，提供一种简易易操作，不降低碳纳米管的导电导热及机械性能的高效分散方法。
2、本发明是以原始碳纳米管为原料，通过预氧化处理、气流粉碎、高压浸润、高速乳化分散、粗磨、细磨这一系列物理/化学方法，将碳纳米管均匀的分散到碳纳米管分散液中。
3、本发明使用的碳纳米管分散技术，工艺过程简单，制备周期短，可重复性高，有很高的工业化生产价值。
4、本发明使用物理分散法保存了碳纳米管的高性能：高强度、高韧性和低电阻率等。
5、本发明中，预氧化处理温度500℃，时长30min；气流粉碎分级轮精度为50微米。
附图说明
图1是实施例1的碳纳米管分散液的透射电镜图。
图2是对比例1的碳纳米管分散液的透射电镜图。
图3是对比例2的碳纳米管分散液的透射电镜图。
图4是对比例3的碳纳米管分散液的透射电镜图。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
(1)将流量比为1:5的二氧化碳与氮气的混合气体通入装有碳纳米管的预氧化炉里，在氧化气体的流化下升温至500℃保温30min，处理结束后将物料通过氮气输送至储存罐内，使用氮气保护冷却至常温。
(2)将冷却至常温的碳纳米管使用气流粉碎机粉碎碳纳米管颗粒使团聚体解体，进料压力设置为0.3MPa，粉碎压力设置为0.9MPa，分级轮精度为50微米，压缩空气露点为-30℃。粉碎后物料使用布袋收集。
(3)向乳化罐内投入375kg溶剂NMP(N-甲基吡咯烷酮)、5kg分散剂PVPK30(一种非离子型高分子化合物，是N-乙烯基酰胺类聚合物，聚乙烯吡咯烷酮，可通过市售获得)，搅拌均匀后加入20kg碳纳米管粉末，密封罐体。使用高压氮气充气加压至20MPa，使用磁力耦合高速分散盘进行高速乳化，转速1800转/min，乳化剪切90min后停止作业，缓慢泄压，得到外观呈均匀膏状的物料。
(4)将上述膏状物通过柱塞泵输送至搅拌桶内，使用装填200kg、直径1.2-1.5mm锆珠的90L砂磨机对物料进行A-B罐倒罐循环砂磨，待物料粘度降低至30000cp以下，将浆料通过隔膜泵输送至搅拌桶内，然后使用装填200kg、直径0.8-1.0mm锆珠的90L砂磨机对物料进行A-B罐循环砂磨，待物料细度降低至20微米以下，输送成品物料至收料桶内。
(5)从以上成品物料中取样，涂布在铝箔上，120℃真空烘干，使用SEM和TEM观察碳纳米管的分散状况。
对比例1
与实施例1相比，对比例1省去预氧化处理，只对碳纳米管进行气流粉碎、高压浸润、高速乳化分散、粗磨、细磨处理，具体地：
(1)将常温的碳纳米管使用气流粉碎机粉碎碳纳米管颗粒使团聚体解体，进料压力设置为0.3MPa，粉碎压力设置为0.9MPa，分级轮精度为50微米，压缩空气露点为-30℃。粉碎后物料使用布袋收集。
(2)向乳化罐内投入375kg溶剂NMP(N-甲基吡咯烷酮)、5kg分散剂PVPK30(一种非离子型高分子化合物，是N-乙烯基酰胺类聚合物，聚乙烯吡咯烷酮，可通过市售获得)，搅拌均匀后加入20kg碳纳米管粉末，密封罐体。使用高压氮气充气加压至20MPa，使用磁力耦合高速分散盘进行高速乳化，转速1800转/min，乳化剪切90min后停止作业，缓慢泄压，得到外观膏状的物料。
(3)将上述膏状物通过柱塞泵输送至搅拌桶内，使用装填200kg、直径1.2-1.5mm锆珠的90L砂磨机对物料进行A-B罐倒罐循环砂磨，待物料粘度降低至30000cp以下，将浆料通过隔膜泵输送至搅拌桶内，然后使用装填200kg、直径0.8-1.0mm锆珠的90L砂磨机对物料进行A-B罐循环砂磨，待物料细度降低至20微米以下，输送成品物料至收料桶内。
(4)从以上成品物料中取样，涂布在铝箔上，120℃真空烘干，使用SEM和TEM观察碳纳米管的分散状况。
对比例2
与实施例1相比，实施例3省去气流粉碎处理，只对碳纳米管进行预氧化、高压浸润、高速乳化分散、粗磨、细磨处理。
(1)将流量比为1:5的二氧化碳与氮气的混合气体通入装有碳纳米管的预氧化炉里，在氧化气体的流化下升温至500℃保温30min，处理结束后将物料通过氮气输送至储存罐内，使用氮气保护冷却至常温。
(2)向乳化罐内投入375kg溶剂NMP(N-甲基吡咯烷酮)、5kg分散剂PVPK30(一种非离子型高分子化合物，是N-乙烯基酰胺类聚合物，聚乙烯吡咯烷酮，可通过市售获得)，搅拌均匀后加入20kg步骤(1)所得碳纳米管，密封罐体。使用高压氮气充气加压至20MPa，使用磁力耦合高速分散盘进行高速乳化，转速1800转/min，乳化剪切90min后停止作业，缓慢泄压，得到外观呈膏状的物料。
(3)将上述膏状物通过柱塞泵输送至搅拌桶内，使用装填200kg、直径1.2-1.5mm锆珠的90L砂磨机对物料进行A-B罐倒罐循环砂磨，待物料粘度降低至30000cp以下，将浆料通过隔膜泵输送至搅拌桶内，然后使用装填200kg、直径0.8-1.0mm锆珠的90L砂磨机对物料进行A-B罐循环砂磨，待物料细度降低至20微米以下，输送成品物料至收料桶内。
(4)从以上成品物料中取样，涂布在铝箔上，120℃真空烘干，使用SEM和TEM观察碳纳米管的分散状况。
对比例3
对比例3只对碳纳米管进行高压浸润、高速乳化分散、粗磨、细磨处理，具体地：
(1)向乳化罐内投入375kg溶剂NMP(N-甲基吡咯烷酮)、5kg分散剂PVPK30(一种非离子型高分子化合物，是N-乙烯基酰胺类聚合物，聚乙烯吡咯烷酮，可通过市售获得)，搅拌均匀后加入20kg碳纳米管粉末，密封罐体。使用高压氮气充气加压至20MPa，使用磁力耦合高速分散盘进行高速乳化，转速1800转/min，乳化剪切90min后停止作业，缓慢泄压，得到外观呈膏状的物料。
(2)将上述膏状物通过柱塞泵输送至搅拌桶内，使用装填200kg、直径1.2-1.5mm锆珠的90L砂磨机对物料进行A-B罐倒罐循环砂磨，待物料粘度降低至30000cp以下，将浆料通过隔膜泵输送至搅拌桶内，然后使用装填200kg、直径0.8-1.0mm锆珠的90L砂磨机对物料进行A-B罐循环砂磨，待物料细度降低至20微米以下，输送成品物料至收料桶内。
(3)从以上成品物料中取样，涂布在铝箔上，120℃真空烘干，使用SEM和TEM观察碳纳米管的分散状况。
实施例1、对比例1～3的碳纳米管分散液的透射电镜图如图1～4所示。
从图1上可以看出，碳纳米管分散均匀，没有出现大的团聚现象，分散效果明显；图2、图3上碳纳米管虽然也有一定的分散，但分散效果不明显，分散不均匀，甚至有的地方出现了团聚现象；图4对比例3的分散方法，从上面看出碳纳米管基本没有分散开，团聚现象明显，甚至还有杂质的引入，出现明显的大黑颗粒。
经测试，碳纳米管样品在经过实施例1的处理前后，其强度、韧性、电阻率和导热性能未见明显改变。而对比例1-3的碳纳米管样品在处理前后，碳纳米管的综合性能则发生明显下降。

Claims (7)

1.一种提高碳纳米管的分散性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将二氧化碳与氮气的混合气体通入装有碳纳米管的预氧化炉里，在混合气体的流化下升温至500℃保温30min，处理结束后将物料通过氮气输送至储存罐内，使用氮气保护冷却至常温；
(2)使用气流粉碎机粉碎步骤(1)所得碳纳米管颗粒使团聚体解体，粉碎后物料使用布袋收集，气流粉碎机的分级轮精度为50微米；
(3)向乳化罐内投入375kg溶剂、5kg分散剂，搅拌均匀后加入20kg步骤(2)所得碳纳米管粉末，密封罐体；使用高压氮气充气加压至20MPa，使用磁力耦合高速分散盘进行高速乳化，转速1800转/min，乳化剪切90min后停止作业，缓慢泄压，得到外观呈均匀膏状的物料；
(4)将步骤(3)所得膏状的物料通过柱塞泵输送至搅拌桶内，使用装填200kg、直径1.2-1.5mm锆珠的90L砂磨机对物料进行A-B罐倒罐循环砂磨，待物料粘度降低至30000cp以下，将浆料通过隔膜泵输送至搅拌桶内，然后使用装填200kg、直径0.8-1.0mm锆珠的90L砂磨机对物料进行A-B罐循环砂磨，待物料细度降低至20微米以下，输送成品物料至收料桶内；
(5)从步骤(4)所得成品物料中取样，涂布在基材上，真空烘干，观察碳纳米管的分散状况。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，二氧化碳与氮气的流量比为1:5。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，气流粉碎机的参数：进料压力设置为0.3MPa，粉碎压力设置为0.9MPa，压缩空气露点为-30℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，分散剂为PVPK30。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述基材为铝箔。
7.权利要求1～6中任一项所述的方法在碳纳米管微观形貌表征中的应用。
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