[发明专利]一种三维多孔改性碳纳米管及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种具有三维多孔结构的改性碳纳米管及其制备方法和应用，属于材料领域。本发明提供一种改性碳纳米管，所述改性碳纳米管以碳纳米管、聚阳离子体和聚阴离子体为原料，利用聚阳离子体与碳纳米管之间的共价作用、聚阴离子体和聚阳离子体的静电桥联作用，得到了改性碳纳米管。本发明所得改性碳纳米管引入高分子基体后，能够提高其在高分子基体中的分散性，并能够提高高分子基体的综合性能，如热稳定性、强度、杨氏模量。

技术领域

本发明涉及一种具有三维多孔结构的改性碳纳米管及其制备方法和应用，属于材料领域。

背景技术

碳纳米管(Carbon nanotubes，CNTs)，又名巴基管，是将单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝圆柱状壳层结构碳材料。根据碳纳米管层数不同，将其分为单壁碳纳米管(Single-wall carbon nanotubes,SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-wall carbon nanotubes,MWNTs)。与单壁碳纳米管相比，多壁碳纳米管由于制备成本低而被广泛应用。

与其他碳材料相比，碳纳米管具有更优异的力学、电学、化学、磁学、光学、热学等性能。此外，碳纳米管不仅是一种很优秀的增强剂，同时因其多孔结构，卷曲作用赋予了碳纳米管更大的比表面积，该材料也被认为是一种优秀的吸附材料。

然而，碳纳米管表面光滑且具有很强的疏水性，极易聚集成束，导致其在溶液和基体中很难分散，且碳纳米管表面光滑完整的碳结构，使得其与物质间的界面相互作用较弱，从而使得碳纳米管在吸附方面的表现并不尽如人意。因此，如何提高碳纳米管在溶液或基材中的分散性以及增强两者的相互作用是目前亟待解决的问题。

另外，现有技术中也采用一些物理方法处理碳纳米管，例如球磨研磨法，超声法，包裹法等，但有的物理方法操作复杂，清洁麻烦，并且采用物理方法，分子之间作用力弱，物理共混的碳纳米管进入溶液中后，极易散开，出现二次团聚，分散效果不佳。有的方法虽然一定程度提高了碳纳米管的分散性，但其吸附性又不佳，例如“包裹法”对碳纳米管进行修饰，即利用小分子或者聚合物包裹到碳纳米管的表面，从而改善碳纳米管的表面性质，提高其分散性，此类方法虽然提高了碳纳米管的亲水性，但是碳纳米管被层层包裹了，孔径被密封堵塞之后的碳纳米管的吸附效果反而不佳。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供一种三维多孔改性碳纳米管，先利用亲水性能优异的物质如壳聚糖(CS)共价接枝碳纳米管(MWNTs)，再引入聚阴离子体如羧甲基纤维素(CMC)复合制备得到三维多孔改性碳纳米管(如CMC/MWNTs-CS)；利用CS和CMC的亲水性及二者之间的静电桥联作用使MWNTs、CS和CMC三者形成三维多孔结构的改性碳纳米管，从而增强MWNTs在水溶液中及高分子基材中的分散性。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种改性碳纳米管，所述改性碳纳米管以碳纳米管、聚阳离子体和聚阴离子体为原料，利用聚阳离子体与碳纳米管之间的共价作用、聚阴离子体和聚阳离子体的静电桥联作用，得到了改性碳纳米管。

进一步，所述改性碳纳米管具有三维多孔结构。

进一步，所述聚阴离子体与聚阳离子体的质量比为：0.5～2：1。

进一步，聚阳离子体的添加量使得碳纳米管能接枝完全即可。

进一步，所述聚阳离子体为亲水型聚阳离子体；具体选自：壳聚糖、季铵基聚多糖或海藻多糖中的一种。聚阳离子体指胶体化学里的集聚正电荷的胶粒。

进一步，所述聚阴离子体选自：羧甲基纤维素钠、羧甲基可德胶或玉米纤维胶中的一种。一般的，所述聚阴离子体指胶体化学里的集聚负电荷的胶粒。

进一步，所述碳纳米管为：多壁碳纳米管或单壁碳纳米管，优选多壁碳纳米管。