CN101780379B - 一种高浓度碳纳米管水分散体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高浓度碳纳米管水分散体是碳纳米管在含有0.5～1.5wt％分散剂的去离子水分散浓度为20～60mg/ml。其制备方法是碳纳米管在浓无机酸中室温浸泡至少10小时，然后起声波振荡至少2小时，最后用氢氧化钠溶液中和至pH值≤6，分离、洗涤至中性后干燥得到预处理碳纳米管。将预处理碳纳米管分散在含有分散剂的去离子水中并超声波振荡至少半小时便得到高浓度碳纳米管水分散体，可稳定存放至少一年时间。

Description

一种高浓度碳纳米管水分散体及其制备方法

一、技术领域

本发明涉及纳米材料的分散体系及其分散方法，确切地说是一种高浓度碳纳米管水分散体及其制备方法。

二、技术背景

碳纳米管是一种非常重要的纳米材料，其具有独特的性质，在力学性能上是钢的100倍，密度只有钢的1/6，比常规石墨纤维高一个数量级；在导电性能上，与石墨的片层结构相同，具有很好的电学性能，能形成导电网络；利用其纳米效应，可以吸收电磁波，达到防辐射效果，另外还有其优良的导热和储氢性能；利用其以上性能，目前碳纳米管在超级电容器、导电塑料、电磁干扰屏蔽及隐形材料、储氢材料、锂离子电池、发射场管、催化剂载体等方面都有应用。

目前制约碳纳米管器件及碳纳米管复合材料应用的主要问题是碳纳米管的分散问题，碳纳米管在各种溶剂中溶解度非常低，碳纳米管之间存在较强的范德华力加之巨大的表面积和很高的长径比，使其非常容易团聚和缠绕，体现不出其作为纳米材料的优良性能。而目前所使用的分散方法为在酸溶液中回流处理、超声振荡或加入表面活性剂等方法，但总体上讲这些方法碳纳米管的分散浓度低，最高在10mg/ml左右，最多只能稳定存在半个月左右，如申请号为200810102321的专利只能做到0.5mg/ml的浓度，在两周后会团聚，根本无法满足在实际中的运用，例如碳纳米管水分散体运用在锂离子电池中，在浆料的粘度和固含量一定的条件下，为改善电池性能，要求碳纳米管添加必须达到一定的含量，就只能提高碳纳米管水分散体的浓度；另外碳纳米管水分散体的导电率在一定的浓度下跟其浓度成正比，材料中添加或作为涂层要求良好导电效果，也只能通过提高碳纳米管水分散体浓度的方法，等等。因此如何将碳纳米管分散在水中，得到高浓度分散液进而应用于工业生产仍是一项巨大的挑战。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种高浓度的碳纳米管水分散体，所要解决的技术问题是碳纳米管水分散体的稳定性。

本发明所称的高浓度碳纳米管水分散体包括碳纳米管和水，其特征是在含有0.5～1.5wt％(质量百分浓度，下同)分散剂的去离子水中分散的碳纳米管浓度为20～60mg/ml。

所述的分散剂选自多元醇、氨基酸或酰胺类等化合物中的一种或两种以上混合分散剂。多元醇选自乙二醇、丙三醇或聚乙二醇等；氨基酸选自甘氨酸、丝氨酸或苏氨酸等，酰胺类化合物选自天冬酰胺或聚丙烯酰胺等。

所述的高浓度碳纳米管水分散体的制备方法包括碳纳米管的预处理以及分离、洗涤、干燥和分散，与现有技术的区别是：所述的预处理是碳纳米管在65～70wt％硝酸或/和95～98wt％硫酸中室温下浸泡至少10小时，然后于温度≤60℃下超声波振荡至少2小时，最后在室温和搅拌下缓缓加入氢氧化钠溶液至反应液pH值≤6；分离、洗涤至中性后干燥，得到预处理碳纳米管；所述的分散是将预处理碳纳米管搅拌下加入含有0.5～1.5wt％分散剂的去离子水中，加完后于温度≤50℃下超声波振荡至少半小时，得到高浓度碳纳米管水分散体。

所述的分散剂选自多元醇、氨基酸或酰胺类化合物中的一种或两种以上混合分散剂。多元醇选自乙二醇、丙三醇或聚乙二醇等；氨基酸选自甘氨酸、丝氨酸或苏氨酸等；酰胺类化合物选自天冬酰胺或聚丙烯酰胺。

所述的氢氧化钠溶液优选其饱和溶液。

本发明有益结果在于：

本发明不仅仅是简单的浓酸浸泡，在用饱和碱溶液中和后，可以使碳纳米管带上更多的含氧基团，再在超声的条件下，通过分散剂的化合反应或者位阻效应，能形成稳定的、均匀分散的、高浓度的碳纳米管水分散体，制备后一年的时间内，未出现团聚现象，该方法制作过程简便，可以实现碳纳米管工业化应用。

四、具体实施方式

实施例1：

(1)称取10g碳纳米管浸没于150ml浓度69wt％浓硝酸中，浸泡时间为12h，浸泡后在室温下将其超声振荡2h。

(2)将步骤(1)中超声振荡后的碳纳米管浓硝酸混合物，在室温和搅拌下，缓慢加入氢氧化钠饱和溶液，搅拌速度50～70转/分钟，水冷却移去中和热，至pH值5左右，离心分离，用去离子水洗至中性，烘干。

(3)称取步骤(2)中6g烘干的纳米管，搅拌下加入含1wt％分散剂的100ml去离子水中，分散剂为聚乙二醇和苏氨酸的混合分散剂，聚乙二醇∶苏氨酸质量比＝1∶1，在室温下超声振荡30分钟，得到浓度为60mg/ml的碳纳米管水溶液。

实施例2：

(1)称取10g碳纳米管浸没于150ml 98wt％浓硫酸中，浸泡时间为15h，浸泡后在室温下将其超声振荡3h。

(2)将步骤(1)中超声振荡后的碳纳米管浓硫酸混合物，在室温和搅拌条件下，缓慢加入1氢氧化钠饱和溶液，搅拌速度控制在50～70转/分钟，水冷却移去中和热，至pH值5.5，离心分离，用去离子水洗至中性，烘干。

(3)称取步骤(2)中3.5g烘干的碳纳米管，搅拌下加入含0.6wt％分散剂的100ml去离子水中，分散剂为丙三醇，在室温下超声40分钟，得到浓度为35mg/ml的碳纳米管水溶液。

实施例3：

(1)称取10g碳纳米管浸没于100m198wt％的浓硫酸和50ml浓度的浓硝酸混合酸中，浸泡12h，浸泡后在室温下将其超声振荡3h。

(2)将步骤(1)中超声振荡后的碳纳米管混酸混合物，在室温和搅拌条件下缓慢加入氢氧化钠饱和溶液，搅拌速度50～70转/分钟，水冷却，移去中和热，至pH值6，离心分离，用去离子水洗至中性，烘干。

(3)称取步骤(2)中5g烘干的碳纳米管，搅拌下加入含1.2wt％分散剂的100ml去离子水中，分散剂这里选用聚乙二醇和聚丙烯酰胺的混合分散剂，聚乙二醇∶聚丙烯酰胺质量比＝1∶1，在室温下超声30分钟，得到浓度为50mg/ml的碳纳米管水溶液。

实施例4：

(1)称取10g碳纳米管浸没于60ml浓度98wt％的浓硫酸和90ml浓度的浓硝酸混合酸中，浸泡12h，浸泡后在室温下将其超声振荡3h。

(2)将步骤(1)中超声振荡后的碳纳米管混酸混合物，在室温和搅拌条件下，缓慢加入氢氧化钠饱和溶液，搅拌速度50转/分钟，水冷却，移去中和热，至pH5.5值，离心分离，用去离子水洗至中性，烘干。

(3)称取步骤(2)中4.5g烘干的碳纳米管，搅拌下加入含0.8wt％分散剂的100ml去离子水中，分散剂聚丙烯酰胺，在室温下起声60分钟，得到浓度为45mg/ml的碳纳米管水溶液。

Claims (2)

1.一种高浓度碳纳米管水分散体，包括碳纳米管和水，其特征在于：在含有0.5～1.5wt％分散剂的去离子水中，分散的碳纳米管的浓度为20～60mg/ml；所述的分散剂选自多元醇、氨基酸或酰胺类化合物中的一种或两种以上的混合物；高浓度碳纳米管水分散体的制备方法，包括碳纳米管的预处理以及分离、洗涤、干燥和分散，所述的预处理是碳纳米管在浓度65～70wt％硝酸或95～98wt％硫酸中室温下浸泡至少10小时，然后于温度≤60℃下超声波振荡至少2小时，最后在室温和搅拌下缓缓加入氢氧化钠溶液至反应液pH值5-6；所述的分散是将预处理的碳纳米管搅拌下加入含有0.5～1.5wt％分散剂的去离子水中，并于温度≤50℃下超声振荡至少半小时。

2.根据权利要求1所述的高浓度碳纳米管水分散体，其特征在于：氢氧化钠溶液是其饱和溶液。