一種提高多壁碳納米管在水溶液中分散性的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及碳納米管的分散領域，具體為一種將碳納米管分散在水中的新方法。
【背景技術】
[0002]多壁碳納米管具有優越的機械強度、熱性能和電學性。將碳納米管添加到聚合物材料尤其是可降解天然高聚物中，可顯著提高復合材料的機械性能，降低復合材料的水蒸氣透過率及溶脹率等，從而加快可降解天然高聚物的應用步伐。但所得復合材料的性能與碳納米管在高聚物中的分散程度密切相關。然而，碳納米管表面的非極性以及分子之間較強的范德華力，使其在水中以及具有親水性基團的天然高聚物溶液中難以分散而出現團聚，大大限制了復合材料優異性能的發揮和應用。目前，提高碳納米管在水溶液中分散性的方法有化學改性、機械攪拌、超聲處理、物理吸附等。然而，化學改性會破壞碳納米管結構的完整性，導致其性能下降;單純的機械攪拌和超聲分散效果差且分散液不穩定;物理吸附常采用表面活性劑，但通常表面活性劑的用量較大，會對納米復合材料的機械性能產生不良影響。因此，急需探究一種簡單高效的方法來制備穩定的碳納米管水分散液。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種提高多壁碳納米管在水溶液中分散性的方法，所得分散液具有良好的穩定性和溶解度，與親水性高聚物復合后對復合材料的性能無不良影響，因此特別適用于制備親水性高聚物復合材料及其他相關應用。
[0004]多壁碳納米管在水溶液中的分散步驟如下:將多壁碳納米管和籠形倍半硅氧烷衍生物同時加入球磨罐中形成混合物，滴入少量有機溶劑，按一定的轉速和時間在球磨機中進行濕法球磨，球磨后的樣品按一定濃度加入水中，超聲后獲得均勻分散的碳納米管水溶液。
[0005]本發明所使用的籠形倍半硅氧烷衍生物的結構簡式為[RSi03/2]n，其中η為6、8、10或12，頂角Si原子上的R官能團為烴類或芳香類等非極性或弱極性基團，如異丁基籠形倍半硅氧烷、氨丙基異丁基籠形倍半硅氧烷或八苯基籠形倍半硅氧烷。
[0006]本發明所使用的多壁碳納米管外徑為8?50nm，內徑為2?15nm，長度為0.5?30μmD
[0007]本發明中的多壁碳納米管與籠形倍半硅氧烷衍生物混合物中，多壁碳納米管的質量分數為5%?80 %。
[0008]本發明中球磨前滴入球磨罐中的有機溶劑為四氫呋喃、氯仿、甲醇、正己烷、二氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、甲苯中的一種或多種。根據所使用的籠形倍半硅氧烷衍生物的種類采用不同的有機溶劑，如異丁基籠形倍半硅氧烷中加入四氫呋喃或者氯仿，八苯基籠形倍半硅氧烷中加入甲醇或者氯仿，氨丙基異丁基籠形倍半硅氧烷中加入四氫呋喃或者氯仿，氨苯基異丁基籠形倍半硅氧烷中加入四氫呋喃或氯仿或正己烷，苯基異辛基籠形倍半硅氧烷中加入四氫呋喃或正己烷或二氯甲烷，甲基丙烯酸異丁基籠形倍半硅氧烷中加入四氫呋喃或氯仿或乙酸乙酯，甲基丙烯酸異辛酯籠形倍半硅氧烷中加入四氫呋喃或正己烷或丙酮，八環氧環己基籠形倍半硅氧烷中加入四氫呋喃或氯仿或甲苯。
[0009]本發明中滴入多壁碳納米管和籠形倍半硅氧烷衍生物混合物中的有機溶劑的體積根據多壁碳納米管與籠形倍半硅氧烷衍生物混合物的總質量來確定，范圍為5mL/g?80mL/go
[0010]本發明所采用的球磨工藝為:球磨速度10rpm?600rpm，球磨時間20min?5h，球磨溫度10°c?60°C。
[0011]本發明所用的超聲時間為1min?2h，超聲溫度為10°C?25°C，超聲功率為50W?5001
[0012]本發明采用籠形倍半硅氧烷衍生物作為分散劑，在濕法球磨輔助下實現多壁碳納米管在水溶液中的分散，具有高效、環保、工藝簡單、可大規模生產、基本不破壞碳納米管結構等優點。本發明可有效減少多壁碳納米管分散過程中有機溶劑的使用，特別適用于多壁碳納米管與親水性高聚物的復合等相關應用。
[0013]本發明的主要原理是利用籠形倍半硅氧烷衍生物的非極性或弱極性有機官能團，使其在球磨過程中因受磨球的擠壓、剪切或摩擦作用，以范德華力、疏水力等結合到碳納米管表面，防止碳納米管間的團聚，從而起到分散作用。
【附圖說明】
[0014]圖1.多壁碳納米管(a)及多壁碳納米管/異丁基籠形倍半硅氧烷混合物(b)按照實施例I處理后所得水分散液的相對紫外吸收值隨時間的變化。
[0015]圖2.多壁碳納米管(a)及多壁碳納米管/異丁基籠形倍半硅氧烷混合物(b)按照實施例I處理后所得水分散液放置不同時間的照片。
[0016]圖3.多壁碳納米管及多壁碳納米管/異丁基籠形倍半硅氧烷混合物按照實施例1處理后的的透射電鏡圖，其中(a)為異丁基籠形倍半硅氧烷，(b)為多壁碳納米管，(C)為球磨后的多壁碳納米管/異丁基籠形倍半硅氧烷混合物。
[0017]圖4.按照實施例1處理后的多壁碳納米管(a)及多壁碳納米管/異丁基籠形倍半硅氧烷混合物(b)的拉曼光譜圖。
【具體實施方式】
[0018]實施例以制備穩定的多壁碳納米管/異丁基籠形倍半硅氧烷水溶液為例。
[0019]實施例1將多壁碳納米管/異丁基籠形倍半硅氧烷按照1:1的比例(多壁碳納米管
0.2g，異丁基籠形倍半硅氧烷0.2g)加入球磨罐中，然后滴入15mL的四氫呋喃使其剛好沒過樣品。開啟球磨機，設置球磨速度為200rpm和球磨時間為60min。球磨完成后，將球磨后的多壁碳納米管/異丁基籠形倍半硅氧烷混合物轉移到錐形瓶中，配制成30mg/L的多壁碳納米管溶液，超聲Ih后獲得均勻分散的碳納米管水溶液。
[0020]實施例2將多壁碳納米管/異丁基籠形倍半硅氧烷按照1:1的比例(多壁碳納米管
0.2g，異丁基籠形倍半硅氧烷0.2g)加入球磨罐中，然后滴入15mL四氫呋喃。開啟球磨機，設置球磨速度為300rpm和球磨時間為60min。球磨完成后，將球磨后的多壁碳納米管/異丁基籠形倍半硅氧烷混合物轉移到錐形瓶中，配制成30mg/L的多壁碳納米管溶液，超聲Ih后獲得均勻分散的碳納米管水溶液。
[0021]實施例3將多壁碳納米管/異丁基籠形倍半硅氧烷按照1:1的比例(多壁碳納米管
0.2g，異丁基籠形倍半硅氧烷0.2g)加入球磨罐中，然后滴入15mL四氫呋喃，倒入球磨罐中。開啟球磨機，設置球磨速度為10rpm和球磨時間為60min。球磨完成后，將球磨后的多壁碳納米管/異丁基籠形倍半硅氧烷混合物轉移到錐形瓶中，配制成30mg/L的多壁碳納米管溶液，超聲Ih后獲得均勻分散的碳納米管水溶液。
【主權項】
1.一種提高多壁碳納米管在水溶液中分散性的方法，其特征是:將多壁碳納米管和籠形倍半硅氧烷衍生物同時加入球磨罐中形成混合物，滴入少量有機溶劑，按一定的轉速和時間在球磨機中進行濕法球磨，球磨后的樣品按一定濃度加入水中，超聲后獲得均勻分散的碳納米管水溶液。2.根據權利要求1所述的方法，其特征是本發明所使用的籠形倍半硅氧烷衍生物的結構簡式為[RSi03/2]n，其中η為6、8、10或12，頂角Si原子上的R官能團為烴類或芳香類等非極性或弱極性基團，如異丁基籠形倍半硅氧烷、氨丙基異丁基籠形倍半硅氧烷或八苯基籠形倍半硅氧烷等。3.根據權利要求1所述的方法，其特征是本發明所使用的多壁碳納米管外徑為8?50nm，內徑為2?15nm，長度為0.5?30μηι。4.根據權利要求1所述的方法，其特征是本發明所使用的多壁碳納米管與籠形倍半硅氧烷衍生物混合物中多壁碳納米管的質量分數為5%?80%。5.根據權利要求1所述的方法，其特征是本發明中球磨前滴入球磨罐中的有機溶劑為四氫呋喃、氯仿、甲醇、正己烷、二氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、甲苯中的一種或多種。根據所使用的籠形倍半硅氧烷衍生物的種類采用不同的有機溶劑，如異丁基籠形倍半硅氧烷中加入四氫呋喃或氯仿，八苯基籠形倍半硅氧烷中加入甲醇或氯仿，氨丙基異丁基籠形倍半硅氧烷中加入四氫呋喃或氯仿，氨苯基異丁基籠形倍半硅氧烷中加入四氫呋喃或氯仿或正己烷，苯基異辛基籠形倍半硅氧烷中加入四氫呋喃或正己烷或二氯甲烷，甲基丙烯酸異丁基籠形倍半硅氧烷中加入四氫呋喃或氯仿或乙酸乙酯，甲基丙烯酸異辛酯籠形倍半硅氧烷中加入四氫呋喃或正己烷或丙酮，八環氧環己二甲基籠形倍半硅氧烷中加入四氫呋喃或氯仿或甲苯。6.根據權利要求1所述的方法，其特征是本發明中滴入多壁碳納米管和籠形倍半硅氧烷衍生物混合物中的有機溶劑的體積，由多壁碳納米管與籠形倍半硅氧烷衍生物混合物總質量確定，范圍為5mL/g?80mL/g。7.根據權利要求1所述的方法，其特征是本發明所采用的球磨工藝為:球磨速度10rpm?600rpm，球磨時間20min?5h，球磨溫度10°C?60°C。8.根據權利要求1所述的方法，其特征是本發明所使用的超聲時間為1min?2h，超聲溫度為10°C?25°C，超聲功率為50w?500w。
【專利摘要】一種提高多壁碳納米管在水溶液中分散性的方法，它涉及一種制備多壁碳納米管水分散液的方法。以籠形倍半硅氧烷衍生物為分散劑，與多壁碳納米管混合后，加入極少量有機試劑進行濕法球磨。將球磨后的混合物按一定比例加入水中，超聲后得到穩定的多壁碳納米管水分散液。本發明的目的是為了解決多壁碳納米管在水中難以分散的問題。本發明工藝簡單、高效、可大規模生產，且基本不破壞碳納米管的結構。所得多壁碳納米管的水分散液穩定性好，尤其適用于碳納米管與親水性高聚物復合材料的制備及其他需避免使用大量有機溶劑對碳納米管進行分散的領域。
【IPC分類】C08K7/24, C08K9/06
【公開號】CN105713235
【申請號】CN201610044412
【發明人】徐丹, 吳帥帥
【申請人】西南大學