專利名稱：一種微波處理提高碳納米管晶化程度和熱穩定性的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用微波處理碳納米管，提高其晶化程度和熱穩定性的方法，屬 于納米新材料技術領域。背景技術：
碳納米管是碳家族中新的一員，它優良的力學性能、良好的電學性能、中空的層狀 結構、大的比表面積、良好的化學穩定性和熱穩定性等優點，使其作為復合材料增強體、納 米電子器件、吸附材料和化學催化等方面具有重要的應用價值。碳納米管屬于晶態碳，但是，在采用化學氣相沉積法批量或規模化生產碳納米管 時，往往會產生較多的非晶碳，這些非晶碳顯示不出石墨晶體的性質，會使碳納米管的性能 有所降低。另外，碳納米管的管壁晶化程度往往較差，這兩方面的因素大大影響了碳納米管 的電學、力學、熱穩定性和其它方面的性能，從而限制了碳納米管的實際應用。目前，高溫石墨化是提高碳基材料晶化程度，提高碳基材料各種性能的有效方法 之一，因此，世界各國科學家普遍采用高溫石墨化的方法來提高碳納米管的晶化程度，也就 是說，對碳納米管進行高溫處理后，可以明顯地提高其石墨化程度，降低了非晶碳含量，從 而達到純化碳納米管目的。但是，高溫石墨化碳納米管要求在2000-3000°C的高溫和真空 或氮氣條件下進行(Richter E, et al.，Physical Review Letters 1997,79(14) :2738; Saito Y, Chemical Physics Letters 1995，236 :419)，需要的設備價格昂貴、體積龐大，生 產周期長，能源消耗多，生產成本大，因此大大制約了人們對晶化碳納米管理論性能的研究 和實際應用的推廣。
發明內容
針對上述技術不足，本發明提供一種利用家用微波爐在氮氣或真空條件下處理碳 納米管，使非晶碳納米管快速、高效晶化，改善碳納米管的電學、力學、熱穩定性等性能的工 藝。本發明提出的利用家用微波爐在氮氣或真空條件下處理非晶碳納米管，使其快 速、高效晶化的工藝方法，其具體步驟如下(1)將碳納米管放入濃硝酸和硫酸的混合溶液(體積比2 1)中，加熱到120°C， 保溫2小時，去除碳納米管中所含的催化劑顆粒，冷卻后用去離子水清洗碳納米管溶液，使 溶液pH至6. 0-7. 0之間，將碳納米管溶液放入100°C烘箱中干燥。(2)將家用微波爐進行改造，把碳納米管放置于石英管中，再將石英管的兩端封 閉，其中石英管一端接氮氣，另一端接尾氣洗氣瓶。(3)打開氮氣閥門，將石英管中的空氣完全排空后，在氮氣保護下打開微波爐的電 源開關，將石英管中的碳納米管加熱不同的時間。或者將碳納米管放入燒瓶中，利用真空泵 將燒瓶抽至真空后，把燒瓶密封放置于微波爐中直接加熱不同時間。(4)將微波處理后的碳納米管從石英管中取出，利用熱失重法測量其熱穩定性，并用高分辨透射電子顯微鏡觀察其晶化程度。本發明的優點在于(1)與傳統的高溫石墨化方法相比較，本發明不需要昂貴的設備，只需要家用微波 爐即能滿足技術要求，晶化碳納米管不需要在2000-3000°C的高溫條件下進行，大大縮短了 生產周期，極大地節省了能源。(2)本發明操作簡單，工藝參數易控，適合于大批量晶化碳納米管。
圖1為微波處理碳納米管裝置示意圖。其中1為氬氣瓶，2，膠皮塞，3為石英管，4為碳納米管，5為微波爐，6為洗氣瓶。圖2原始碳納米管與微波處理后碳納米管的熱失重曲線。圖中a)原始碳納米管， b)微波處理1分鐘，c)微波處理2分鐘，d)微波處理6分鐘，e)微波處理10分鐘。圖3碳納米管的高分辨投射電鏡照片。圖中a)原始碳納米管，b)微波處理2分 鐘后碳納米管。
具體實施例方式以下將結合附圖詳細介紹本發明利用微波處理碳納米管，提高其晶化程度和熱穩 定性的方法。實施例1 本發明所述碳納米管的純化工藝如下將碳納米管放入濃硝酸和硫酸的混合溶液 (體積比2 1)中，加熱到120°C，保溫2小時，去除碳納米管中所含的催化劑顆粒，冷卻后 用去離子水清洗碳納米管溶液，將混合酸溶液洗凈，使溶液PH至6. 0-7. 0之間，將碳納米管 放入100°C烘箱中干燥備用。本發明所用微波爐的改造方法和處理碳納米管的方法如圖1所示把碳納米管放 置于石英管中，將石英管兩端用膠皮塞封閉，膠皮塞打孔并安裝直徑6毫米的細石英管連 接惰性氣體輸入管和輸出管。惰性氣體輸入管接氮氣，輸出管接尾氣洗氣瓶，以便于排氣并 隔絕碳納米管與空氣的接觸，防止碳納米管氧化。惰性氣體也可采用氬氣，洗氣瓶中液體采 用機油而非水，防止高溫碳與水蒸汽反應。在微波加熱碳納米管之前，首先打開氮氣閥門，利用氮氣將石英管中的空氣完全 排空，在氮氣保護下打開微波爐的電源開關，將石英管中的碳納米管加熱不同的時間。在氮 氣保護下將碳納米管冷卻至室溫后取出檢測分析。本發明所述利用微波爐加熱晶化后碳納米管的熱失重曲線如圖2所示原始碳納 米管從500°C開始就出現了明顯的熱失重現象，到635°C熱失重結束。而本發明利用微波處 理碳納米管僅僅1分鐘后，碳納米管熱穩定性明顯提高，從520°C開始出現明顯的熱失重現 象，到665°C熱失重結束。微波處理碳納米管2分鐘后，碳納米管的熱穩定性進一步提高，出 現明顯的熱失重現象的溫度達到575°C。而進一步增加微波處理時間到6-10分鐘時，熱穩 定性的提高程度與處理2分鐘的效果差別不大，說明短時間的微波處理就能使碳納米管的 熱穩定性大大提高。本發明所述利用微波爐加熱晶化后碳納米管的高分辨電子顯微鏡照片如圖3所示原始碳納米管(圖3a)的石墨層片不是相互平行的同心圓結構，同層的管壁呈現出波浪 式結構，而且碳納米管的內腔結構也不明顯。微波處理碳納米管2分鐘后，碳納米管管壁的 石墨片呈現出平行的同心圓結構(圖北)，同層的管壁明顯變成了直線狀，碳納米管的內腔 也變的十分明顯。說明短時間的微波處理大大提高了碳納米管的晶化程度。實施例2 碳納米管的純化方法如實施例1所述，與實施例1不同之處在于將碳納米管放入 圓底燒瓶中，將PE材質二通旋轉閥一端接燒瓶，另一端連接真空泵。將旋轉閥旋至通的位 置后，利用重-1型旋片真空泵(極限壓力6 X I(T2Pa))將燒瓶抽真空，20分鐘后，將旋轉 閥旋至關的位置。將抽真空后盛有碳納米管的燒瓶直接放置于微波爐中，加熱不同的時間， 待碳納米管冷卻至室溫后，將碳納米管從燒瓶中取出檢測。
權利要求
1.一種利用微波處理碳納米管，提高其晶化程度和熱穩定性的方法，其特征在于具體 步驟如下(1)將碳納米管放入濃硝酸和硫酸的混合溶液(體積比2 1)中，加熱到120°C，保溫 2小時，去除碳納米管中所含的催化劑顆粒，冷卻后用去離子水清洗碳納米管溶液，使溶液 PH至6. 0-7. 0之間，將碳納米管溶液放入100°C烘箱中干燥。(2)將家用微波爐進行改造，把碳納米管放置于石英管中，再將石英管的兩端封閉，其 中石英管一端接氮氣，另一端接尾氣洗氣瓶。(3)打開氮氣閥門，將石英管中的空氣完全排空后，在氮氣保護下打開微波爐的電源開 關，將石英管中的碳納米管加熱不同的時間。(4)碳納米管樣品冷卻后，將微波處理后的碳納米管從石英管中取出，最終制得晶化程 度高、熱穩定性好的碳納米管樣品。
2.根據權利要求1所述的微波處理碳納米管，提高其晶化程度和熱穩定性的方法，其 特征在于將碳納米管放置于惰性氣體氮氣或氬氣保護下進行微波加熱處理。
3.根據權利要求1所述的微波處理碳納米管的方法，特征在于也可將碳納米管放置于 真空環境中，利用微波直接加熱處理，以提高碳納米管的晶化程度和熱穩定性。
4.根據權利要求1所述的微波處理碳納米管的方法，特征在于尾氣洗氣瓶中的液體采 用機油。
全文摘要
一種微波處理提高碳納米管晶化程度和熱穩定性的方法，屬于納米新材料技術領域。目前化學氣相沉積法批量或規模化生產的碳納米管，往往存在管壁石墨晶化程度差，熱穩定性低的缺點，從而大大影響了碳納米管物理化學性能并限制了碳納米管的實際應用。為解決當前高溫石墨化碳納米管溫度要求高(2000-3000℃)，設備昂貴、體積大，能耗多，生產成本大的缺點，本發明提供一種利用家用微波爐在氮氣或真空條件下處理碳納米管，使非晶碳納米管快速、高效晶化，提高其熱穩定性，改善碳納米管理化學性能的工藝。本發明優點在于不需要昂貴的設備，只需要家用的微波爐即能滿足技術要求，生產周期短，能耗低，操作簡單，工藝參數易控，適合于大批量晶化碳納米管。
文檔編號B82B3/00GK102040216SQ200910209790
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月26日 優先權日2009年10月26日
發明者劉福強, 夏冰, 夏延致, 張盼, 李延輝, 杜秋菊, 王宗花 申請人:青島大學