[发明专利]一种提高碳纸力学强度的改性方法

说明书

本发明涉及碳纸改性，特别是一种提高碳纸力学强度的改性方法。本发明通过伽马射线对碳纸的轰击，使碳纳米管表面产生羟基、羧基及含氧自由基以及空位缺陷，这种缺陷可引发碳纳米管表面结构的重组，使碳纳米管之间产生共价键而互相交联；而含氧极性基团在后续的交联剂混合溶液中可进一步发生化学交联反应，因此可有效提高碳纸的性能。经过伽马射线辐照和交联改性后的碳纸力学性能明显提高。本发明提供的方法简单、易操作，效果显著。

技术领域

本发明涉及碳纸改性，特别是一种辐照交联改性方法。

背景技术

碳纸，也称为巴基纸(Buckypaper，BP)，利用了范德华力使碳纳米管与碳纳米管之间相互搭接，制备成的一种多孔隙并且较薄类似纸状的材料。碳纸作为有一定强度的碳纳米管聚集体，保留了碳纳米管许多优异的特性，可以作为改性材料来增强基体，并且有效解决了碳纳米管在聚合物中易团聚和难分散的缺点。碳纸可用于复合材料、磁性材料、生物传感器、微孔滤膜、电极和催化等功能材料。

碳纸在许多应用中的性能主要受其力学性能的影响，无论是直接应用在结构中还是间接用在多功能材料中，在制备材料时维持碳纸完整性至关重要。但是原始碳纸弹性模量和断裂强度分布，分别在0.1-1GPa和1-10MPa范围内，比单根碳纳米管相差很多。组成原始碳纸的碳纳米管之间没有经过化学键的连接，仅仅依靠分子间作用力相连。因此碳纸力学性能较差，很难单独应用在结构上，所以碳纸常常伴随着改性处理或者与聚合物复合实现增强。大量数据证明碳纳米管的长径比，排列方式和体积分数以及碳纳米管之间的相互作用，这些因素都能影响碳纸的整体力学性能。而改变碳纳米管的长径比、体积分数和排列方式，是通过增加碳管间的缠接和摩擦来提高力学性能。但是通过这些方式提高力学性能，会增加碳纳米管在溶剂中的分散难度，限制了碳纸通过抽滤法制备的这种常用方法。因此，通过改变碳管间的相互作用是非常有效的手段。Sakurai等研究了不同长度的碳纳米管制备的碳纸，当碳纳米管长度从350μm增加到1500μm时，断裂强度从19MPa增大到45MPa；实验和理论研究都表明，通过用电子或离子照射以诱导共价交联，可以改善机械性能。在这些方法中，辐照会引起缺陷，包括共价交联，碳纳米管之间形成的间隙原子，或者CNT的聚结，因此，本领域亟需一种在不影响碳纸固有结构及优良属性基础上提高碳纸力学性能的方法。

发明内容

为了解决现有技术中碳纸力学性能不佳的问题，本发明提供了一种改性方法，该方法通过采用伽马射线辐射和化学交联相结合，使碳纳米管之间产生共价键的交联，提高碳纸的力学性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种提高碳纸力学强度的改性方法，包括以下步骤：(1)将预改性的碳纸放入γ射线中接受照射，辐射剂量为50-1000kGy，以10kGy/h进行照射；

(2)配制交联剂混合溶液，以体积百分数计，将戊二醛1％，冰醋酸0.9％，无水甲醇8％，硫酸0.9％，去离子水89.2％混合，待溶液搅拌均匀后将预改性碳纸浸入，浸入时间为2h，等待交联剂充分与碳纸反应后，用大量去离子水洗去残留交联剂，得到改性碳纸。

伽玛射线辐照技术在工业上主要用来对包装材料或者卫生用品进行辐射杀菌，本发明利用伽玛射线辐照与化学交联对材料进行处理，显著提高材料力学强度。不同与现有的电子或离子照射的改性方法，伽玛射线辐射交联处理是一种复杂的自由基反应，辐射机理复杂，不同聚合物基体中发生的自由基反应不同，并不是所有聚合物基体都适合进行辐射交联处理。因此，对于基体的合理选择十分关键。本发明经多次反复试验，预改性碳纸可以选择普通碳纸、羟基改性碳纸、羧基改性碳纸或混合碳纸中的任一种。混合碳纸是指将羟基碳纳米管与羧基碳纳米管按质量比1：1的比例混合，制备得到的碳纸。

所述碳纸的制备方法为：将表面活性剂与研磨好的一定量碳纳米管进行充分混合，超声分散，真空抽滤，烘干，最后得到碳纸。

优选的，γ射线辐射剂量为100kGy。

有益效果