[发明专利]一种基于热处理的碳纳米管集合体改性方法

说明书

一种基于热处理的碳纳米管集合体改性方法，包括以下步骤：升温热处理：将已除杂的碳纳米管集合体施加0.5～3％的张力，对施加张力后的碳纳米管集合体进行升温热处理，热处理温度为100～400℃，热处理时间为30～200min；降温处理：将热处理后的碳纳米管集合体进行降温处理，降温速率为0.5～20℃/min；根据需要重复上述升温热处理和降温处理过程。本发明大大提升了碳纳米管集合体的强度、模量和电导率，降低了伸长率，并且使碳纳米管集合体结构更均匀，有效改善其综合性能。

技术领域

本发明属于碳纳米管集合体改性领域，具体涉及一种基于热处理的碳纳米管集合体改性方法，更具体涉及一种基于热处理的碳纳米管集合体在强度、模量、伸长率、电导率、结构均匀度等方面的改性处理方法。

背景技术

碳纳米管是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管，它具有石墨优良的耐热、耐腐蚀、耐冲击性能，并且传热和导电性能好，强度高，在许多领域有着重要的应用前景，是21世纪最有前途的纳米材料之一。

随着纳米技术的发展，碳纳米管可以直接制备成纱线、碳纳米管膜等宏观集合体。碳纳米管集合体继承了碳纳米管的优异性能，更容易操作，应用更为广泛。但是在碳纳米管集合体中碳纳米管之间仅有范德华力作用，作用力很弱，导致碳纳米管集合体结构松散，碳纳米管取向低，含量也较低，性能远低于单根碳纳米管。

国内外有学者使用将树脂与碳纳米管集合体复合的方式，提高其力学性能，但是由于树脂的引入使碳纳米管原有的柔性及导通性能有所影响。也有学者采用等离子体处理技术将化学官能团接枝于碳纳米管集合体表面，提高碳纳米管之间的作用力，从而提升其综合性能。但是等离子体能量消耗大，且会损伤碳纳米管本身的结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于热处理的碳纳米管集合体改性方法，采用特殊高温与冷却工艺，改善碳纳米管集合体综合性能，解决碳纳米管集合体的结构松散、力学性能较差等问题，操作简单，成本低廉，绿色环保。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于热处理的碳纳米管集合体改性方法，包括以下步骤：

(1)升温热处理

将已除杂的碳纳米管集合体施加0.5～3％的张力，对施加张力后的碳纳米管集合体进行升温热处理，热处理温度为100～400℃，热处理时间为30～200min；

(2)降温处理

将热处理后的碳纳米管集合体进行降温处理，降温速率为0.5～20℃/min，降温至25℃；

(3)重复步骤(1)-(2)，重复操作次数为0～20次。

进一步，本发明所述的碳纳米管集合体是由且仅由碳纳米管材料组成的自支撑宏观体。

步骤1)中，升温热处理的升温速率为1～20℃/min。

又，步骤1)中，升温热处理的加热方式是在空气中加热，或在其它含氧气的混合气体氛围中加热，可以在马弗炉或其它加热装置加热，控制加热气体气流量为200～500sccm。

更优选的，所述的碳纳米管集合体为碳纳米管纱线、碳纳米管膜，或基于石墨烯和碳纳米线的结合体。

更优选的，步骤3)中，重复操作次数为0～5次。

本发明所述的升温热处理操作需使碳纳米管集合体控制在一定张力范围内，所需的张力因碳纳米管集合体实际结构性能需要而异，张力大小为碳纳米管集合体强力的0.5～3％。在升温过程中，碳纳米管的振动加剧，结构重新调整，使材料的取向结构受到破坏，而在上述受力情况下，碳纳米管材料的结构调整受到限制，纱线的取向结构会得到很好的保持和优化。