[发明专利]一种碳纳米管与树脂复合材料的制备方法

说明书

本发明提供一种碳纳米管与树脂复合材料的制备方法，所述方法包括将在吸波载体上负载有活性组分过渡金属的催化剂粉末、树脂以及树脂的固化剂混合均匀得到混合物，将混合物固化成型，再将固化成型的混合物置于微波设备中加热，因吸波载体吸收微波而在催化剂粉末处形成局部高温使得此处的树脂原位生长形成碳纳米管，且微波处理时混合物的整体温度维持在较低温度使得混合物中部分树脂并不碳化，所得产品即为碳纳米管与树脂的复合材料。本发明所述方法不仅解决了CNTs在树脂基体中难以分散的问题，也解决了树脂与CNTs的结合紧密度问题；同时制备得到的复合材料中树脂质量高，所得复合材料较树脂基体力学性能、导热性能与电学性能大幅度增强。

技术领域

本发明属于复合材料的制备技术领域，具体涉及一种碳纳米管与树脂复合材料的制备方法。

背景技术

碳纳米管层与层之间的间距大约为0.34nm，其直径一般在纳米级范围内，长度有几十纳米，最长可达到几微米。2sp杂化形成的C＝C共价键是自然界中最强的价键之一，这便赋予了碳纳米管优异的力学性能；同时，在垂直石墨层片的π轨道上，由于存在较多未配对的电子，碳纳米管具有优异的电学性能。此外，碳纳米管还具有优异的导热性能，磁学、光学特性及独特的吸波性能。碳纳米管凭借其独特的电子结构和物理化学特性，被认为是一种性能优异的新型结构材料和功能材料，可用作高强度的纤维材料，碳纳米管单分子发光元件、储氢材料、场发射器件材料等。在航空航天领域，碳纳米管作为一种新兴的纳米吸波材料，可在军事隐形、储能、吸波等方面得到大规模应用。

目前已经公开的碳纳米管的制备方法主要有如下几种：1、化学气相沉积法：或称为碳氢气体热解法。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在800～1200℃的条件下，气态烃分解生成碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。但是制得的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。这种方法的主要研究方向是希望通过控制模板上催化剂的排列方式来控制生成的碳纳米管的结构，已经取得了一定进展。2、聚合反应合成法：在碳纳米管制备方法中，聚合反应合成法一般指利用模板复制扩增的方法。科学家发现，在强酸、超声波作用下，碳纳米管可以先断裂为几段，再在一定纳米尺度催化剂颗粒作用下增殖延伸，而延伸后所得的碳纳米管与模板的卷曲方式相同。3、催化裂解法：催化裂解法是在600～1000℃的温度及催化剂的作用下，使含碳气体原料(如一氧化碳、甲烷、乙烯、丙烯和苯等)分解来制备碳纳米管的一种方法。此方法在较高温度下使含碳化合物裂解为碳原子，碳原子在过渡金属-催化剂作用下，附着在催化剂微粒表面上形成为碳纳米管。催化裂解法中所使用的催化剂活性组分多为第八族过渡金属或其合金，少量加入Cu、Zn、Mg等可调节活性金属能量状态，改变其化学吸附与分解含碳气体的能力。

基于碳纳米管诸多优异性能，将其作为增强体能够大幅度提高复合材料的电学和力学等性能。因此碳纳米管在复合材料中具有广阔的应用前景，是近年来研究的热点问题。其中碳纳米管/聚合物基复合材料，学者们对其的研究较多，工艺最成熟，已经广泛应用于实际生产中。对于聚合物基复合材料，由于碳纳米管的主要成分是碳元素，其结构与聚合物相似，尺寸也在同一个数量级上，可以将其看作是单元素的聚合物，当碳纳米管作为复合材料的增强体时，与聚合物基体之间的应力传递能力是纤维的10倍以上。但是，由于碳纳米管管径小，表面能大，极易缠结、团聚在一起，这一现象严重影响了碳纳米管在聚合物中的均匀分散，致使复合材料的性能受到一定程度的影响。因此，在制备碳纳米管/聚合物基复合材料过程中，碳纳米管在聚合物基体中的分散性及其与基体的界面结合成为了有待解决的关键问题。