[发明专利]一种氧化修饰多壁碳纳米管的方法

说明书

本发明属于纳米材料技术领域，尤其涉及一种氧化修饰多壁碳纳米管的方法，使用临界流体对碳管表面进行有效的氧化修饰，提高了碳管在水中的分散性，同时对碳管损伤性较小，修饰后的碳管表面含有的氧化官能团可以使得碳管和其他材料有效结合。使用了超临界水作为反应的氧化剂，提高了反应过程的安全性和环保性，且无污染性气体产生也大大保证了操作人员的身体健康。本发明使用了水热釜作为反应容器，可以对整个反应体系进行均匀地加热。此技术方案对碳管的完整性保持较好，反应结束碳管产物颗粒较大，过滤进程大大缩短，效率大大提高。本发明使用了较为温和环保的氧化剂来修饰碳管，产率也有大大的提高。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，尤其涉及一种使用超临界水对碳管进行氧化修饰的方法。

背景技术

碳纳米管自1991年被日本科学家Iijima发现以来，由于其优异的导电，导热性，较大的比表面积，较高的机械性能，特殊的管状中空结构，是最具潜力的碳材料之一。碳管独特的性质使其成为制备复合材料的理想框架或者前驱体材料。尽管如此，碳管的一些本征特点也给其应用过程造成了一些困扰，比如较大的长径比使得其在范德华力作用下极易缠绕团聚，这导致了碳管分散液很不稳定且极易沉淀，同时碳管表面是化学惰性的，一定程度上阻碍了碳管和其他材料的快速复合和相互作用。

针对上述问题，需要对碳纳米管进行表面修饰，目前的修饰方法主要是物理和化学修饰。化学修饰常常采纳各种强氧化剂来对碳管表面进行氧化处理，其中最常用和最有效的方法是浓硝酸和浓硫酸的混合液作为氧化剂。然而，这种方法会产生大量污染性气体NO_X，危害环境，对操作人员来讲危险性也较大。其次，由于这种混酸溶液氧化性过强，在修饰过程中对碳管的结构造成了严重破坏，损耗了许多碳管自身的优异特性，因此最终产率也较低，不适合工业化生产。物理修饰法使用表面活性剂，比如亲水性高分子或者生物大分子来处理碳管。此法可以最大程度的保持碳管的完整性，但是最大的缺点在于这些修饰物很难去除,且修饰后的碳管和其他材料的化学相互作用较弱，无法有效结合，在最终的复合材料中无法发挥碳管的优异性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明设计了一种使用超临界水对碳管进行氧化修饰的方法。本发明使用超临界水氧化修饰多壁碳纳米管，超临界水能够促进碳管中的C－C键的开裂，其不仅作为反应物也作为催化剂弱化了芳环的C-C键，因此促进了碳管上苯环的开环反应。超临界水氧化修饰碳管的技术具有反应效率高、绿色无公害，产品产量高等特点。

本发明的技术方案的操作步骤如下：

其中原料为多壁碳纳米管；去离子水。

步骤一，在配料室使用电子天平称取一定量的物料、超纯水、碳管，倒入干燥洁净的中釜式反应器混合均匀。

步骤二，检查反应系统的水源、电源和气源状态，保证反应釜系统排水、排气状态良好，实验室通风良好。

步骤三，将反应釜与温度传感器装置联接并保证气密性良好。开启Ar气源排空，待反应釜内的空气被排干净后，关闭气体进口阀门；关闭通Ar的管路，慢慢开气体释放阀，放气至设定的初始压力；关闭气体释放阀，加大气源压力检漏。如果1.5分钟中气压的变化范围小于0.01兆帕，则认为反应系统气密性良好。

步骤四，用电热炉加热反应器,使反应系统达到反应条件。在加热过程,要注意观察温度、压力的变化,随时检查设备的泄漏情况。

步骤五，加热到反应温度稳定，经过预设的停留时间后，关闭电加热炉，将反应釜从炉子中取出，进行空气自然冷却，待釜内温度降到250℃，放入冷却水进行水冷，接着取出进行空气冷却。

步骤六，反应结束后通过过滤、离心、干燥等步骤收集处理过的碳管产品。

步骤七，将反应釜在水池中清洗干净后，在超声清洗器中放置20分钟，然后放入远红外干燥炉中干燥1小时左右以除去釜内水分，温度设定为100℃。