[发明专利]一种碳纳米管/聚苯胺导电复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及对碳纳米管(CNTs)进行等离子体功能化改性以及利用改性后的碳纳米管制备电性能优异的碳纳米管/聚苯胺复合材料。

背景技术

碳纳米管稳定性极高、导电、导热且具有超高的强度，是最新的复合材料改性剂之一。碳纳米管/聚合物复合材料具有的独特性能，如高的导热率和导电率、可见光/紫外/红外的灵敏性，使其能在可调电子仪表、显示装置、电池电极以及定向药物传输等方面产生大量的应用而引起高度的重视。如今，已有部分科学家们致力于碳纳米管/聚苯胺复合材料的制备及其性能研究，可用于制备碳纳米管/聚苯胺复合材料的方法有：电化学和原位聚合的一步法、先改性后聚合的两步法。然而，上述三种制备方法不同程度都存在操作复杂、成本高、反应条件苛刻、产生有毒气体、产物性能及形貌难以控制等问题，难以规模化生产。至今为止，国内外尚未见到有关通过等离子体改性的碳纳米管与苯胺(AN)原位聚合制备其聚苯胺导电复合材料的研究报道。因此开发一种设计新颖、技术先进、方便简单、成本低廉、反应条件温和、电性能优异、能规模生产碳纳米管/聚苯胺复合材料的方法具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是将离子体改性的碳纳米管与苯胺(AN)原位聚合制备电性能优异的碳纳米管/聚苯胺复合材料。

本发明技术方案：一种碳纳米管/聚苯胺导电复合材料的制备方法，包括下列步骤：

(1)称取0.2g碳纳米管置于PECVD中进行改性处理，改性工艺参数为：等离子体气源为Ar气，处理功率为0～100W，处理时间为0～10min，腔室压力为0.04～0.20Torr，温度为20～150℃，电极距离为4～12cm；

(2)将经步骤(1)改性处理的碳纳米管加入到圆底烧瓶中，并向其中加入50mL的蒸馏水中，超声分散30min；

(3)分别取50mL蒸馏水和1mL苯胺，用盐酸溶液调pH至1～2，倒入步骤(2)的圆底烧瓶中，高速搅拌30min直至分散均匀，得到悬浮液；

(4)向步骤(3)所得的悬浮液中滴加与苯胺等摩尔量的(NH₄)₂S₂O₈水溶液50mL，于0～5℃冰水浴搅拌下反应2h，得到固体产物；

(5)真空抽滤步骤(4)所得固体产物，并用去离子水洗涤5次去除未反应单体及低聚物，再于80℃下真空干燥10h，获得碳纳米管/聚苯胺导电复合材料。

发明的技术效果：本发明从原理上讲是一种通过等离子体技术对碳纳米管进行表面改性，进一步与苯胺原位聚合碳纳米管/聚苯胺复合材料的方法。等离子体改性方法处理碳纳米管的原理是在等离子体处理过程中等离子体粒子的能量通常与化学键的能量相当，且粒子的密度及能量受到外部等离子体参数的约束(功率、压力及频率等)。因此，该技术可使各种单体活化形成大量自由基。该自由基的存在使得碳纳米管与苯胺具有更好的相容性，从而提高了碳纳米管在苯胺基体中的分散性，进一步与苯胺聚合后获得电性能优越的碳纳米管/聚苯胺复合材料。该制备方法与原位聚合和电化学聚合的一步法、先改性后聚合的两步法的主要区别在于碳纳米管表面的改性方法。为获得包覆均匀、电性能优异的碳纳米管/聚苯胺复合材料，可采用先改性后聚合的两步法，该法可分为等离子体表面改性和原位聚合两个过程。等离子体改性过程中，通过等离子体工艺参数控制碳纳米管表面形成自由基的数目，极大改善其在苯胺基体中的分散性；原位聚合过程中，在适宜的聚合条件，较长的聚合时间使得碳纳米管的表面进一步为更多的苯胺分子所包覆，随着反应的进行聚合反应完成，最终形成表面包覆均匀的碳纳米管/聚苯胺复合材料。本发明通过等离子体技术实现碳纳米管的表面改性，控制等离子体工艺参数提高碳纳米管在苯胺基体中的分散性，选择改性后的碳纳米管与苯胺原位聚合，制备高导电性的碳纳米管/聚苯胺复合材料。在该制备体系中，可以通过改变等离子体的处理功率、处理时间、操作压力、施加温度、电极距离等来提高碳纳米管的改性效果，即其在苯胺基体中的分散性，经进一步原位聚合获得形貌和导电性能可控的碳纳米管/聚苯胺复合材料。具体而言：一、本发明通过碳纳米管在Ar等离子体作用下，表面形成大量自由基，控制等离子体工艺参数提高碳纳米管在苯胺基体中的分散性；二、本发明可制备表面包覆均匀、电导率高达2.86S/cm的碳纳米管/聚苯胺复合材料；三、本发明制备的产物具有良好的电学性能及较高的热稳定性等；四、本发明原料易得，操作简单，仪器设备简便，电性能优越、形貌易控，处理方便，易于工业化，为导电碳纳米管基复合材料的控制制备提供了新的途径。