[发明专利]两性碳纳米管分散粉末的制备

说明书

技术领域

本发明涉及两性碳纳米管粉末的制备方法，制备的碳纳米管粉末具有亲水亲油性，能够很好的分散于水及有机溶剂中，在复合材料、电极材料、纳米器件等方面具有广泛的应用。属于分散技术领域。

背景技术

碳纳米管(CNTs)自1991年被发现以来，一直受到化学、物理及材料科学领域研究者的青睐。由于其极高的长径比和超强的机械性能而成为极具应用潜力的一维纳米材料，其应用已涉及到纳米电子器件、电池、超级电容器、场发射显示器、传感器、催化剂载体、电化学材料、贮氢材料和复合材料增强相等多方面。碳纳米管超强的力学性能可以极大提高复合材料的强度和韧性，被认为是复合材料的理想添加相；独特的导电和光电性能可以改善聚合物材料的电导率和制备新型的光电聚合物复合材料，在纳米复合材料领域有着巨大的应用潜力；其独特结构可以制备金属或金属氧化物填充的一维纳米复合材料。这些新兴材料的崛起将对人们的生产和生活产生重大影响。

但碳纳米管表面缺陷少、缺乏活性基团，在各种溶剂中的溶解度都很低。另外，碳纳米管之间存在较强的范德华引力加之它巨大的比表面积和很高的长径比，使其形成团聚或缠绕，破坏单根碳纳米管所表现出的优异力学、电学特性，严重制约了它的应用。因此，碳纳米管的有效分散已成为实际应用中必不可少的步骤。

使碳纳米管在不同介质中稳定分散的方法已有多种，如共价功能化使其表面连接有亲水基团-COOH(see J.Zhang，et al.，The Journal of Physical Chemistry B 107(2003)3712)、-OH(see Sarbajit Banerjee，ea al.，J.Phys.Chem.B 2002，106，12144-12151)等，然而，通过共价功能化的方法对碳纳米管进行分散，会破坏碳纳米管的结构，影响它的性能。

采用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)(see Xiao Qi，et al.，Journal of Inorganic Materials，Vol.22，6，Nov 2007，1122-1126)、十二烷基硫酸钠(SDS)(see JunrongYu，et al.，Carbon 45，2007，618-623)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)(see J.I.Paredes，et al.，Langmuir 2004，20，5149-5152)等也可使碳纳米管在水中形成稳定的悬浮液，但这种分散体系稳定时间短，静置一段时间即沉淀，分散性能下降，而不利于实际生产应用。若对这种分散体系进行普通干燥后，碳纳米管之间的团聚反而增强，不能重新分散；Yerushalmi-Rozenet al.(see Pub.No.：US 7501108B2)通过蒸发法干燥，制备了阿拉伯树胶修饰的碳纳米管粉末，但这种粉末只溶于水中；周胜名(see Zhou，et al.，公开号：CN 101049926A)对碳纳米管在水中的分散液进行冷冻干燥，得到了蓬松的碳纳米管粉末，但由于所用的表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，这种碳纳米管粉末也只溶于水中。

两亲性聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)具有特殊的结构，吡咯烷酮基团为亲水基团，而主链的碳-碳键为疏水性链段，具有亲油性，因此其能溶于水和许多有机溶剂中；如果能将这种结构的两亲性聚合物引入到碳纳米管表面，其良好的溶解性能会明显改善碳纳米管在水、有机溶剂和聚合物中的分散性能，为碳纳米管的进一步应用铺平了道路。

Hasan(see Tawfique Hasan et al.，J.Phys.Chem.C 2007，111，12594-12602)等利用PVP作分散剂，制备了单壁碳纳米管(SWNTs)在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的分散液，此分散液仅可稳定3周；虽然，SWNTs在NMP中的分散液的稳定时间提高到了30天(see Pub.No.：US 200700224106A1)，但分散液中碳纳米管的含量太少，小于0.01wt％，且分散液储存、运输不方便；Qiu(see Jun Qiu et al.，J Nanopart Res，2008，10，659-663)利用乙烯基吡咯烷酮(NVP)与偶氮二异丁氰(AIBN)在乙醇中超声、搅拌制备了两性NVP-MWNTs粉末，此NVP-MWNTs粉末在水、乙醇和DMF中的溶解度分别为0.4mg/ml、0.33mg/ml、0.34mg/ml，按重量百分比计算分别为0.040％，0.042％，and 0.036％，由于采用的干燥方法是普通的真空干燥法，所得的粉末易结块团聚且硬度大，重分散时比较麻烦，需要较高的超声频率与较长的超声、搅拌时间。