碳納米管的改性方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳納米管的改性方法，包括如下步驟：將無(wú)水乙醇與雙氧水混合，得到無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液，將吡咯放入所述無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液中，得到無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液，再將碳納米管放入無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液中，將無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管構(gòu)成的混合物超聲處理，然后高速離心分離出碳納米管，清洗后超聲，烘干至恒重，即得。本發(fā)明中改性的碳納米管在水和有機(jī)溶劑中具有優(yōu)異的分散性和穩(wěn)定性，避免了常用的混酸高溫處理碳納米管，具有操作簡(jiǎn)單、無(wú)污染、分散效果好等特點(diǎn)，并且可處理多壁和單壁碳納米管。
【專利說(shuō)明】碳納米管的改性方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及精細(xì)化工領(lǐng)域，特別是涉及一種碳納米管的改性方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管具有極高的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)等一系列優(yōu)異的性能。碳納米管在制造、微電子器件、電極材料、儲(chǔ)氫及催化劑載體等方面的應(yīng)用前景十分廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域包括電力、汽車、能源、化工、環(huán)境、生物、機(jī)械、原子能等各行各業(yè)。
[0003]由于碳納米管的直徑一般在幾個(gè)到幾十個(gè)納米之間，管壁的厚度僅為幾個(gè)納米，具有極大的比表面積和表面能，因此，碳納米管很容易發(fā)生團(tuán)聚，影響了它的均勻分散性和穩(wěn)定性，致使與所改性的復(fù)合材料之間的相容性較差，使碳納米管均勻分散在復(fù)合材料中，對(duì)其表面改性十分必要。
[0004]常用的改性方法主要有物理改性法和化學(xué)改性法，物理改性法包括聚合物包覆和表面活性劑改性等方法；化學(xué)改性法包括機(jī)械化學(xué)改性法、高能量改性、局部化學(xué)改性等方法。
[0005]常用的物理改性方法具有操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，如需要高溫、高能量，有時(shí)還需要復(fù)雜的設(shè)備；而化學(xué)改性方法一般采用強(qiáng)酸混合液進(jìn)行預(yù)氧化，然后再進(jìn)行枝接的化學(xué)后處理。使用混酸處理容易產(chǎn)生有毒、有害的氣體，污染環(huán)境，而且需要較高的反應(yīng)溫度，操作困難。工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、綠色環(huán)保的碳納米管表面改性處理是今后的發(fā)展方向。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]基于此，有必要提供一種處理工藝簡(jiǎn)單而且分散性和穩(wěn)定性好的碳納米管的改性方法。
[0007]一種碳納米管的改性方法，包括如下步驟:
[0008]( I)碳納米管的表面改性處理:將無(wú)水乙醇與濃度為20~30wt%的雙氧水混合，得到無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液，所述無(wú)水乙醇與雙氧水的重量比為1:0.5~5 ;將吡咯放入所述無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液中，得到無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液，所述吡咯與無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液的重量比為0.1~5:100 ;再將碳納米管放入無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液中，形成無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物，所述碳納米管與無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液的重量比為0.1~10:100 ;將無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物進(jìn)行超聲處理，然后高速離心分離出碳納米管；
[0009](2)碳納米管的清洗與干燥:將步驟(1)得到的碳納米管進(jìn)行清洗與離心分離處理，再烘干至恒重，即得。
[0010]在其中一個(gè)實(shí)施例中，步驟(1)所述的吡咯與無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液的重量比為0.5~3:100。
[0011]在其中一個(gè)實(shí)施例中，步驟(1)所述的碳納米管與無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液的重量比為0.5~5:100。[0012]在其中一個(gè)實(shí)施例中，步驟(1)所述的超聲處理的頻率為22~100kHz，功率為100 ~2000W。
[0013]在其中一個(gè)實(shí)施例中，步驟(1)所述的超聲處理時(shí)間為I~3h。
[0014]在其中一個(gè)實(shí)施例中，步驟(2)所述的清洗與離心分離處理的次數(shù)為4~6次。
[0015]在其中一個(gè)實(shí)施例中，步驟(2)所述的烘干溫度為50~100°C。
[0016]在其中一個(gè)實(shí)施例中，步驟(2)所述清洗時(shí)使用的溶液為乙醇和去離子水混合溶液，所述乙醇和去離子水的重量比與步驟(1)所述的無(wú)水乙醇和雙氧水的重量比相同。
[0017]本發(fā)明涉及的碳納米管的改性方法中，經(jīng)吡咯改性的碳納米管避免了常用的混酸高溫處理碳納米管，具有操作簡(jiǎn)單、無(wú)污染、安全環(huán)保、分散效果好等特點(diǎn)；而且，經(jīng)吡咯改性的碳納米管在水和有機(jī)溶劑中具有優(yōu)異的分散性和穩(wěn)定性；同時(shí)，本發(fā)明采用了等量去離子水代替雙氧水清洗，優(yōu)點(diǎn)在于避免已處理的碳納米管的改性表面結(jié)構(gòu)被破壞；本發(fā)明涉及的吡咯改性方法可處理多壁和單壁碳納米管。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是經(jīng)過(guò)吡咯改性的碳納米管在水中放置20天后的宏觀照片。
[0019]圖2是經(jīng)過(guò)吡咯改性的碳納米管在重量比為1:1的二甲苯和乙醇混合溶劑中放置20天后的宏觀照片。
[0020]圖3是經(jīng)過(guò)吡咯改性的碳納米管在乙醇中放置20天后的宏觀照片。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面將結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:
[0022]實(shí)施例1
[0023]本實(shí)施例所述的碳納米管的改性方法，包括如下步驟:
[0024](I)碳納米管的表面改性處理:將50g無(wú)水乙醇和50g濃度為30wt%的雙氧水混合，得到無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液；將0.1g吡咯放入上述100g無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液中，形成無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液；再將4g碳納米管放入無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液中，形成無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物；再將無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物置入超聲波清洗機(jī)中，常溫條件下在28kHz、100W超聲環(huán)境中處理2.5h，然后將無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物置入高速離心機(jī)內(nèi)，在轉(zhuǎn)速為16000rpm的條件下分離出碳納米管；
[0025](2)碳納米管的清洗與干燥:然后用重量比為1:1的無(wú)水乙醇-去離子水反復(fù)清洗步驟(1)得到的碳納米管，清洗后然后將碳納米管置入高速離心機(jī)內(nèi)，在轉(zhuǎn)速為16000rpm的條件下分離出碳納米管，清洗-離心分離共6次，將清洗-分離后的碳納米管放入烘箱中，在80°C條件下烘干至恒重，即得。
[0026]經(jīng)本實(shí)施例改性處理的碳納米管在水中放置20天后的宏觀形貌如圖1所示，碳納米管沒(méi)有發(fā)生沉淀析出，相比之下，經(jīng)過(guò)常用的混酸預(yù)處理，然后再用硅烷偶聯(lián)劑改性的碳納米管，放置24h后即出現(xiàn)部分沉淀。
[0027]通過(guò)對(duì)比可知，通過(guò)本實(shí)施例所述碳納米管的改性方法得到的碳納米管在水中具有優(yōu)異的分散性和穩(wěn)定 性。[0028]實(shí)施例2
[0029]本實(shí)施例所述的碳納米管的改性方法，包括如下步驟:
[0030](I)碳納米管的表面改性處理:將100g無(wú)水乙醇和400g濃度為20wt%的雙氧水混合，得到無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液；將15g吡咯放入上述500g無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液中，形成無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液；再將0.515g碳納米管放入無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液中，形成無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物；再將無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物置入超聲波清洗機(jī)中，常溫條件下在80kHz、500W超聲環(huán)境中處理3h，然后將無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物置入高速離心機(jī)內(nèi)，在轉(zhuǎn)速為16000rpm的條件下分離出碳納米管；
[0031](2)碳納米管的清洗與干燥:然后用重量比為1:4的無(wú)水乙醇-去離子水反復(fù)清洗步驟(1)得到的碳納米管，清洗后然后將碳納米管置入高速離心機(jī)內(nèi)，在轉(zhuǎn)速為16000rpm的條件下分離出碳納米管，清洗-離心分離共5次，將清洗-分離后的碳納米管放入烘箱中，在70°C條件下烘干至恒重，即得。
[0032]經(jīng)本實(shí)施例改性的碳納米管分散在重量比為1:1的二甲苯和乙醇的混合溶劑中，放置20天后，如圖2所示，溶液呈現(xiàn)均勻的黑色，沒(méi)有沉淀析出。相比之下，經(jīng)過(guò)常用的混酸預(yù)處理，然后再用硅烷偶聯(lián)劑改性的碳納米管，放置24h后即出現(xiàn)部分沉淀。
[0033]通過(guò)對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)處理得到的碳納米管可知，通過(guò)本實(shí)施例所述碳納米管的改性方法得到的碳納米管在水中具有優(yōu)異的分散性和穩(wěn)定性。
[0034]實(shí)施例3
[0035]本實(shí)施例所述的碳·納米管的改性方法，包括如下步驟:
[0036](I)碳納米管的表面改性處理:將100g無(wú)水乙醇和300g濃度為30wt%的雙氧水混合，得到無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液；將2g吡咯放入上述400g無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液中，形成無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液；再將2.0lg碳納米管放入無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液中，形成無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物；再將無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物置入超聲波清洗機(jī)中，常溫條件下在80kHz、1000W超聲環(huán)境中處理1.5h，然后將無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物置入高速離心機(jī)內(nèi)，在轉(zhuǎn)速為16000rpm的條件下分離出碳納米管；
[0037](2)碳納米管的清洗與干燥:然后用重量比為1:3的無(wú)水乙醇-去離子水反復(fù)清洗步驟(1)得到的碳納米管，清洗后然后將碳納米管置入高速離心機(jī)內(nèi)，在轉(zhuǎn)速為16000rpm的條件下分離出碳納米管，清洗-離心分離共4次，將清洗-分離后的碳納米管放入烘箱中，在50°C條件下烘干至恒重，即得。
[0038]經(jīng)本實(shí)施例改性的碳納米管分散在無(wú)水乙醇中，放置20天后，如圖3所示，溶液呈現(xiàn)均勻的黑色，沒(méi)有沉淀析出。相比之下，經(jīng)過(guò)常用的混酸預(yù)處理，然后再用硅烷偶聯(lián)劑改性的碳納米管，放置18h后即出現(xiàn)部分沉淀
[0039]通過(guò)對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)處理得到的碳納米管可知，通過(guò)本實(shí)施例所述碳納米管的改性方法得到的碳納米管在水中具有優(yōu)異的分散性和穩(wěn)定性。
[0040]實(shí)施例4
[0041]本實(shí)施例所述的碳納米管的改性方法，包括如下步驟:
[0042](I)碳納米管的表面改性處理:將200g無(wú)水乙醇和100g濃度為30wt%的雙氧水混合，得到無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液；將12g吡咯放入上述300g無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液中，形成無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液；再將15.6g碳納米管放入無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液中，形成無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物；再將無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物置入超聲波清洗機(jī)中，常溫條件下在IOOkHz、2000W超聲環(huán)境中處理lh，然后將無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物置入高速離心機(jī)內(nèi)，在轉(zhuǎn)速為16000rpm的條件下分離出碳納米管；
[0043](2)碳納米管的清洗與干燥:然后用重量比為2:1的無(wú)水乙醇-去離子水反復(fù)清洗步驟(1)得到的碳納米管，清洗后然后將碳納米管置入高速離心機(jī)內(nèi)，在轉(zhuǎn)速為16000rpm的條件下分離出碳納米管，清洗-離心分離共6次，將清洗-分離后的碳納米管放入烘箱中，在65°C條件下烘干至恒重，即得。
[0044]經(jīng)本實(shí)施例改性的碳納米管分散在重量比為1:2的無(wú)水乙醇-水溶液中，放置20天后，溶液呈現(xiàn)均勻的黑色，沒(méi)有沉淀析出，碳納米管具有優(yōu)異的分散性和穩(wěn)定性。相比之下，經(jīng)過(guò)常用的混酸預(yù)處理，然后再用硅烷偶聯(lián)劑改性的碳納米管，放置20h后即出現(xiàn)部分沉淀
[0045]通過(guò)對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)處理得到的碳納米管可知，通過(guò)本實(shí)施例所述碳納米管的改性方法得到的碳納米管在水中具有優(yōu)異的分散性和穩(wěn)定性。
[0046]實(shí)施例5
[0047]本實(shí)施例所述的碳納米管的改性方法，包括如下步驟: [0048](I)碳納米管的表面改性處理:將40g無(wú)水乙醇和200g濃度為25wt%的雙氧水混合，得到無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液；將12g吡咯放入上述240g無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液中，形成無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液；再將25.2g碳納米管放入無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液中，形成無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物；再將無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物置入超聲波清洗機(jī)中，常溫條件下在22kHz、1500W超聲環(huán)境中處理3h，然后將無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物置入高速離心機(jī)內(nèi)，在轉(zhuǎn)速為16000rpm的條件下分離出碳納米管；
[0049](2)碳納米管的清洗與干燥:然后用重量比為1:5的無(wú)水乙醇-去離子水反復(fù)清洗步驟(1)得到的碳納米管，清洗后然后將碳納米管置入高速離心機(jī)內(nèi)，在轉(zhuǎn)速為16000rpm的條件下分離出碳納米管，清洗-離心分離共5次，將清洗-分離后的碳納米管放入烘箱中，在100°C條件下烘干至恒重，即得。
[0050]上述碳納米管分散在水中，放置20天后，溶液呈現(xiàn)均勻的黑色，沒(méi)有沉淀析出，相比之下，經(jīng)過(guò)常用的混酸預(yù)處理，然后再用硅烷偶聯(lián)劑改性的碳納米管，放置24h后即出現(xiàn)部分沉淀。
[0051]通過(guò)對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)處理得到的碳納米管可知，碳納米管在水中具有優(yōu)異的分散性和穩(wěn)定性。
[0052]本發(fā)明涉及碳納米管的改性方法，獲得改性的碳納米管在水和有機(jī)溶劑中分散均勻且穩(wěn)定性優(yōu)異，工藝簡(jiǎn)單、易于控制。
[0053]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專 利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種碳納米管的改性方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)碳納米管的表面改性處理:將無(wú)水乙醇與濃度為20~30wt%的雙氧水混合，得到無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液，所述無(wú)水乙醇與雙氧水的重量比為1:0.5~5 ;將吡咯放入所述無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液中，得到無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液，所述吡咯與無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液的重量比為0.1~5:100 ;再將碳納米管放入無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液中，形成無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物，所述碳納米管與無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液的重量比為0.1~10:100 ;將無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯-碳納米管混合物進(jìn)行超聲處理，高速離心分離出碳納米管； (2)碳納米管的清洗與干燥:將步驟(1)得到的碳納米管進(jìn)行清洗與離心分離處理，再烘干至恒重，即得。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管的改性方法，其特征在于，步驟(1)所述的吡咯與無(wú)水乙醇-雙氧水混合溶液的重量比為0.5~3:100。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管的改性方法，其特征在于，步驟(1)所述的碳納米管與無(wú)水乙醇-雙氧水-吡咯混合溶液的重量比為0.5~5:100。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管的改性方法，其特征在于，步驟(1)所述的超聲處理的頻率為22~100kHz，功率為100~2000W。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管的改性方法，其特征在于，步驟(1)所述的超聲處理時(shí)間為I~3h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管的改性方法，其特征在于，步驟(2)所述的清洗與離心分離處理的次數(shù)為 4~6次。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管的改性方法，其特征在于，步驟(2)所述的烘干溫度為50 ~100℃。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管的改性方法，其特征在于，步驟(2)所述清洗時(shí)使用的溶液為乙醇和去離子水混合溶液，所述乙醇和去離子水的重量比與步驟(1)所述的無(wú)水乙醇和雙氧水的重量比相同。
【文檔編號(hào)】C01B31/02GK103626152SQ201310613933
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】劉世念, 王成, 呂旺燕, 朱圣龍, 鐘國(guó)彬, 王福會(huì), 李欣, 王群昌, 吳航, 錢藝華, 王文 申請(qǐng)人:廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院, 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所