[发明专利]一种适用于复合橡胶体系的碳纳米管功能化修饰方法

说明书

本发明提出一种适用于复合橡胶体系的碳纳米管(CNTs)功能化修饰的方法。首先采用共价键改性方法—双氧水(H₂O₂)氧化处理CNTs，在CNTs表面氧化形成羟基官能团,然后采用硅烷偶联剂十七氟癸基三乙氧基硅烷(CF₃(CF₂)₇CH₂CH₂Si(OC₂H₅)₃)(AC‑FAS)与CNTs表面的羟基进行脱水缩合反应，将硅烷偶联剂成功引入到CNTs表面。接触角测试结果表明，采用本方法功能化的CNTs表面由亲水性转变为疏水性，从而有效改善其与橡胶基体的相容性。采用5phr该功能化碳纳米管制备炭黑/碳纳米管复合橡胶材料，发现力学性能优异，导热性能可提高11.9％。源于CNTs的分散性及其与基体之间的相容性得到很好的改善，且CNTs的分散有效促进炭黑的分散，两种填料在橡胶基体内构建了良好的填料网络。本发明提出的功能化修饰方法有效解决了碳纳米管在橡胶中的应用问题。

技术领域

本发明属于材料科学领域，具体涉及一种适用于复合橡胶体系的碳纳米管(CNTs)功能化修饰方法。

背景技术

CNTs是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米级管状壳层结构。其独特的结构和优异的力学性能、导热性能、导电性能，成为一种重要的填料。CNTs作为碳材料的同素异形体之一，因其高纵横比和良好的固有导热性能而被举证为提高聚合物导热性能的有效材料。人们在许多不同领域应用CNTs的兴趣日益浓厚，但CNTs本身易团聚，难分散性限制了CNTs的应用。与CNTs自身高性能相比，CNTs/聚合物复合材料性能远远低于CNTs自身。CNTs/聚合物复合材料的性能取决于CNTs在基体材料中的分散，以及CNTs和聚合物的界面融合性。由于CNTs是由非常稳定sp²杂化碳原子构成，因此，CNTs在化学性质方面是惰性的，并且其较强范德华力与周围基体材料很难发生相互作用，研究新的分散方法和功能化技术成为研究学者的关注焦点。针对CNTs在聚合物基体材料中应用难的问题，通过对CNTs进行共价键和非共价键改性，降低其范德华力，改善其在基体中的分散性以及界面黏附性。化学改性方法是CNTs表面的碳原子以共价键连接的方式接枝上特定的官能团，这些官能团可以连接在CNTs的末端或者管壁上。对CNTs管壁的功能化改性可以通过与一些高化学反应活性的分子反应来进行。

Kelly K F等人在Insight into the mechanism of sidewallfunctionalization of single-walled nanotubes中指出，他们已经成功实现通过氨基，烷基和羟基取代氟原子，完成了CNTs的侧壁氟化。有其他类似的方法，包括环加成，如Diels-Alder反应，氯化，溴化，催化加氢( S,Kulawik D,et al.A review ofprocedures of purification and chemical modification of carbon nanotubes withbromine[J].Fullerenes,Nanotubes and Carbon Nanostructures,2017,25(10):563-569.)。然而，上述研究制得的CNTs方法非常复杂，并且制得的CNTs不利于所填充的聚合物导热性能的提高。