[发明专利]碳纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料的制备方法，特别是涉及一种碳纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳纳米材料属于碳的纳米尺度的同素异形体，主要包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、碳纳米角和足球烯。碳纳米材料由于其优异的电学、力学性质，以及呈纳米尺度、质量轻，在能源存储电极、催化载体、增强复合材料、吸波与电磁屏蔽材料、阻燃材料、微电子和过滤等领域具有广泛的用途。

碳纳米材料的应用通常以复合材料的形式进行应用，即和其他材料复合在一起进行应用。目前碳纳米材料的复合方式主要有两种：

一种是将碳纳米材料与需要复合的基材或者单体充分混合，经过反应、浇筑、纺丝等方式进行造型，总结起来，是先复合再构型的方式，例如，发明专利200410067019.4公开了一种将CNT与聚合物单体、引发剂、助剂混合，充分分散，聚合，然后纺丝获得碳纳米管复合材料纤维，可应用于电磁屏蔽等领域，发明专利201110168638.2公开了一种碳纳米管+石英纤维增强环氧树脂的复合材料，发明专利200980151769.0公开了一种将碳纳米管与热塑性聚合物采用双螺杆挤出机混合，加入增塑剂获得碳纳米管增强聚合物复合材料；

另一种方式是先制备基体材料的形状，然后再进行复合，基体材料的形状在复合过程中不发生太大变化，这种制备复合材料的方式在工业分工极度细化的今天，更具备优势，因为之前的基材生产厂家不需要改变生产方法，此种方式的例子，如，发明专利201180006211.0公开了一种将石墨烯和粘合剂混合涂覆在塑料制品表面而获得石墨烯复合材料的方法，但此种方式通常需要引入额外的粘合剂物质，粘合剂在涂覆时容易覆盖碳纳米材料，影响碳纳米材料的本身形态和表面性能的发挥，从而影响复合材料的最终性能，并且通过粘合剂粘合还存在脱落的问题。

发明专利201110082160.1公开了一种在基体表面设置一碳纳米管结构，通过微波加热实现熔化复合，此方式需要先制备碳纳米管结构，此结构为碳纳米管自支撑结构，采用此方式进行复合，必须先制备自支撑的碳纳米管结构，同时要有一个较为平滑完整、且具有一定硬度的面进行复合，通常只适用于体材料的表面复合，对于纤维状，粉末状，颗粒状、柔性片状或其它较精细的基体则难以形成有效复合。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供一种碳纳米复合材料及其制备方法和应用。

一种碳纳米复合材料的制备方法，所述碳纳米复合材料包括碳纳米材料和热熔性基材，所述热熔性基材与碳纳米材料接触位置发生熔合，未接触部分热熔性基材不发生熔化，该方法包括如下步骤(具体步骤流程如图1所示)：

A.碳纳米材料与热熔性基材充分接触；

B.将充分接触的碳纳米材料和热熔性基材置于光照下；

C.停止光照，降温，获得碳纳米复合材料预制体；

D.将碳纳米复合材料预制体进行清洗，去除未结合的碳纳米材料，

重复或不重复步骤A、B、C、D，即得所述碳纳米复合材料，

其中，所述光照为可见光(具体波长为380-760nm)。

碳纳米材料(包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、碳纳米角和足球烯)具有良好的光热效应。本发明所述碳纳米复合材料的制备方法，其原理如下：

通过将碳纳米材料(宏观为粉末状)和热熔性基材直接放置在一起，通过可见光照，碳纳米材料由于光热效应开始发热，当温度上升到热熔性基材的熔点时，热熔性基材在接触碳纳米材料的位置发生熔融，而其他部位并未发生熔化，整体形貌并未发生改变，此时迅速停止光照降温，碳纳米材料就与基材结合在一起。

特别地，经研究发现，本发明采用可见光(波长为380-760nm)对碳纳米材料进行加热，能产生局部瞬间高温，且具有优良的光热选择性，通常在5s内即可使碳纳米材料就与基材有效结合(结合率大于80％)，且保证基体其余部分温度不会上升融化，增加了热熔性基材受热融化部分的选择性，保证基材的完整度，由此可适用于比较精细的基体，如形状为纤维状、粉末状、颗粒状、柔性片状，或者材料为丙纶、尼龙、涤纶等的基体，在光热融合的过程中均可与碳纳米材料形成有效复合(结合率大于80％，且结合后基体结构几乎不发生损坏)，同时避免基体的形状发生损坏，解决了现有技术中，纤维状、粉末状、颗粒状、柔性片状或其它较精细的基体难以与碳纤维材料形成有效复合这一技术难题。