CN104047157A - 基于光热效应制备碳纳米复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光热效应制备碳纳米复合材料的方法。碳纳米材料（包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、碳纳米角和足球烯）具有良好的光热效应。将碳纳米材料与热熔性基材接触，在光照的作用下，接触的位置发生熔合，未接触部分热熔性基材不发生熔化。本发明无需预先制作碳纳米材料结构，直接将碳纳米材料与热熔性基材进行复合，方法简便，不受热熔性基材形状结构限制。

Description

基于光热效应制备碳纳米复合材料的方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别涉及一种制备碳纳米复合材料的方法。

背景技术

碳纳米材料属于碳的纳米尺度的同素异形体，主要包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、碳纳米角和足球烯。碳纳米材料由于其优异的电学、力学性质，以及呈纳米尺度、质量轻，在能源存储电极、催化载体、增强复合材料、吸波与电磁屏蔽材料、阻燃材料、微电子和过滤等领域具有广泛的用途。

碳纳米材料的应用通常以复合材料的形式进行应用，即和其他材料复合在一起进行应用。碳纳米材料的复合方式主要有两种方式。一种是将碳纳米材料需要复合的基材或者单体充分混合，进过反应、浇筑、纺丝等方式进行造型，总结起来，是先复合再构型的方式，例如，发明专利200410067019.4公开了一种将CNT与聚合物单体、引发剂、助剂混合，充分分散，聚合，然后纺丝获得碳纳米管复合材料纤维，可应用于电磁屏蔽等领域。发明专利201110168638.2公开了一种碳纳米管+石英纤维增强环氧树脂的复合材料。发明专利200980151769.0公开了一种将碳纳米管与热塑性聚合物采用双螺杆挤出机混合，加入增塑剂获得碳纳米管增强聚合物复合材料。另一种方式是先制备基体材料的形状，然后再进行复合，基体材料的形状在复合过程中不发生太大变化，这种制备复合材料的方式在工业分工极度细化的今天，更具备优势，因为之前的基材生产厂家不需要改变生产方法。此种方式的例子，如，发明专利201180006211.0公开了一种将石墨烯和粘合剂混合涂覆在塑料制品表面而获得石墨烯复合材料的方法。此种方式需要引入额外的粘合剂物质，影响复合材料的最终性能，并且通过粘合剂粘合还存在脱落的问题。发明专利201110082160.1的则公开了一种在基体表面设置一碳纳米管结构，通过微波加热实现熔化复合。此方式需要先制备碳纳米管结构，此结构为碳纳米管自支撑结构，采用此方式进行复合，必须先制备自支撑的碳纳米管结构，同时要有一个较为平整的面进行复合，只适用于体材料的表面复合，对于纤维状材料，粉末状，颗粒状材料则难以形成有效复合。

碳纳米材料具有良好的光热效应，它能迅速吸收可见光和红外光将其转化成内能。例如PNAS杂志曾报道了利用单壁碳纳米管的光热效应，利用近红外光选择性杀死癌细胞。Cancer Research杂志报道了利用多壁碳纳米管光热效应杀死人体和小鼠癌细胞。2002年Science杂志报道了一个神奇的现象，处于空气环境下的单壁碳纳米管，采用普通照相机的闪光灯进行瞬间照射（50μs），碳纳米管发生自燃现象，进一步分析发现，碳纳米管的瞬间温度达到1500℃以上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光热效应制备碳纳米复合材料的方法。

本发明的目的是这样实现的，所述碳纳米复合材料制备方法，特征是碳纳米材料与热熔性基材接触位置发生熔合，未接触部分热熔性基材不发生熔化，具体步骤为：

A．           碳纳米材料与热熔性基材充分接触；

B．           将充分接触的碳纳米材料和热熔性基材置于光照下；

C．           停止光照，降温，获得碳纳米复合材料预制体；

D．           将碳纳米复合材料预制体进行清洗，以去除未结合的碳纳米材料。

所述碳纳米复合材料制备方法，具体步骤A. B. C. D.可以重复进行，具体为按步骤A. B. C. D.完成后，可按A. B. C. D.步骤再进行重复，以提高碳纳米材料的复合量。

所述碳纳米材料为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、碳纳米角和足球烯中的一种或者多种混合。

所述热熔性基材形状为纤维状、颗粒状、柔性片状、刚性片状或者块体状。

所述热熔性基材材质为热塑性塑料和玻璃。

所述碳纳米材料与热熔性基材充分接触，至少采用如下的一种方式：

（1）    制备碳纳米材料的分散液，将碳纳米材料分散液充分浸润热熔性基材，将浸润有碳纳米材料的热熔性基材干燥，即获得碳纳米材料与热熔性的充分接触；

（2）    将碳纳米材料采用气流喷射的方式，喷涂于热熔性基材上；

（3）    采用干式搅拌混合的方式。

    所述充分接触中，制备碳纳米材料分散液选用的分散介质为与所要复合的热熔性基材接触角小于90°。

所述光照为可见光和红外光。

所述光照的环境为大气环境或者真空环境或者惰性气体环境。

所述C步骤停止光照的时间，按从光照开始到接触部分基材熔化开始时间计。

所述C步骤降温为采用自然降温或强迫降温。

所示D步骤清洗为采用液态介质清洗或者采用气流清洗。

有益效果

本发明无需预先制作碳纳米材料结构，直接将碳纳米材料与热熔性基材进行复合，方法简便，不受热熔性基材形状结构限制。

附图说明

图1为本发明中基于光热效应制备碳纳米复合材料的方法步骤流程图。

图2为本发明中基于光热效应制备碳纳米复合材料的方法的一具体实施中获得的碳纳米复合材料的扫描电子显微镜照片。

图3为本发明中基于光热效应制备碳纳米复合材料的方法的另一具体实施中获得的碳纳米复合材料的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明一种基于光热效应制备碳纳米复合材料的方法作进一步对说明，但不以任何方式对本发明加以限制，依据本发明的教导所作的任何变更或替换，均属于本发明的保护范围。

本发明实现的采用的原理是：碳纳米材料（包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、碳纳米角和足球烯）具有良好的光热效应。将碳纳米材料（宏观为粉末状）和热熔性基材直接放置在一起，由于光照的作用，碳纳米管开始发热，当温度上升到基材的熔点时，基材在接触碳纳米材料的位置发生熔融，而基材其他部位并未发生熔化，基材整体形貌并未发生改变，此时迅速停止光照降温，碳纳米管就与基材结合在一起。

本发明公开一种基于光热效应制备碳纳米复合材料的方法，所述碳纳米复合材料制备方法，将碳纳米材料与热熔性基材接触位置发生熔合，未接触部分热熔性基材不发生熔化，具体步骤如图1所示，为：

A．           碳纳米材料与热熔性基材充分接触；

B．           将充分接触的碳纳米材料和热熔性基材置于光照下；

C．           停止光照，降温，获得碳纳米复合材料预制体；

D．           将碳纳米复合材料预制体进行清洗，以去除未结合的碳纳米材料。

所述碳纳米复合材料制备方法，具体步骤A. B. C. D.可以重复进行，具体为按步骤A. B. C. D.完成后，可按A. B. C. D.步骤再进行重复，以提高碳纳米材料的复合量。

所述碳纳米材料为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、碳纳米角和足球烯中的一种或者多种混合。

所述热熔性基材形状为纤维状、颗粒状、柔性片状、刚性片状或者块体状。

所述热熔性基材材质为热塑性塑料和玻璃。

所述碳纳米材料与热熔性基材充分接触，至少采用如下的一种方式：

（1）    制备碳纳米材料的分散液，将碳纳米材料分散液充分浸润热熔性基材，将浸润有碳纳米材料的热熔性基材干燥，即获得碳纳米材料与热熔性的充分接触；

（2）    将碳纳米材料采用气流喷射的方式，喷涂于热熔性基材上；

（3）    采用干式搅拌混合的方式。

    所述充分接触中，制备碳纳米材料分散液选用的分散介质为与所要复合的热熔性基材接触角小于90°。

所述合适光照为可见光和红外光。

所述光照的环境为大气环境或者真空环境或者惰性气体环境。

所述C步骤停止光照的时间，按从光照开始到接触部分基材熔化开始时间计。

所述C步骤降温为采用自然降温或强迫降温。

所示D步骤清洗为采用液态介质清洗或者采用气流清洗。

具体实施中，需要包含一些实验步骤，以确定合适的制备碳纳米材料分散液的分散介质，光照光源和照射时间。

确定分散介质方法为：查询溶剂极性表，确定几种备选的溶剂；然后将溶剂滴加到基材（对于粉末状和颗粒状基材，可选用与其同种材质的块材实验或者进行压片处理）上测量其接触角，接触角小于90度的即为候选溶剂；选择毒性小，价格适宜，易于分散碳纳米材料的溶剂作为优选。

确定光源的方法：此处确定光源主要选择光源的波长，主要针对纤维状和颗粒状热熔性基材，原因是纤维状和颗粒状热熔性基材，与碳纳米材料充分混合接触后，置于光照下，大量下层碳纳米材料被基材所遮挡，此时需要考虑基材透光性问题；这里采用红外-可见光光谱测试基材的透光性，选择最大透光性的波长的光作为光源照射。

照射时间确定方法：固定光照强度和光照环境，逐步增加时间，执行A. B. C. D.步骤，直达清洗过程有碳纳米材料流失量小于20%为止，此时的照射时间极为最终确定的光照时间。

图2 为 碳纳米纤维与丙纶无纺布复合材料扫描电子显微镜照片，从图中可看出，碳纳米纤维已经粘附在丙纶纤维的表面。

图3 为 碳纳米管/碳纳米纤维与PMMA复合透光电极的扫描电子显微镜照片，从图中可看出碳纳米管/碳纳米纤维粘附在PMMA板表面，发生了少量团聚。

实施例1：

配制碳纳米管水分散液，将玻璃纤维布充分浸渍碳纳米管水分散液，然后进行烘干，使得碳纳米管和玻璃纤维布充分接触；将充分接触的碳纳米管和玻璃纤维布置于近红外光下，照射5s，照射环境处于氮气保护下；停止光照，自然降温，即获得碳纳米管-玻璃纤维布预制体；最后将碳纳米管-玻璃纤维布预制体在清水中涮洗，即制得碳纳米管-玻璃纤维布，此制得的碳纳米管-玻璃纤维布可应用于静电屏蔽、储能电极等。

实施例2：

配制碳纳米纤维水分散液，将玻璃纤维布充分浸渍碳纳米纤维水分散液，然后进行烘干，使得碳纳米纤维和玻璃纤维布充分接触；将充分接触的碳纳米纤维和玻璃纤维布置于可见光下，照射5s，照射环境处于氮气保护下；停止光照，自然降温，即获得碳纳米纤维-玻璃纤维布预制体；最后将碳纳米纤维-玻璃纤维布预制体在清水中涮洗，即制得碳纳米纤维-玻璃纤维布。

实施例3：

将碳纳米管粉在空气作用下，喷射到丙纶无纺布上，使得碳纳米管与丙纶纤维充分接触；将充分接触的碳纳米管和丙纶无纺布置于可见光下，照射0.5s；停止光照，自然降温，即获得碳纳米管-丙纶复合无纺布预制体；最后利用空气流冲洗碳纳米管-丙纶复合无纺布预制体，即制得碳纳米管-丙纶复合无纺布，可用于空气过滤领域。

实施例4：

配制碳纳米角二甲基甲酰胺（DMF）分散液，在聚碳酸酯板表均匀倾倒一层碳纳米角DMF分散液，然后进行烘干，使得碳纳米角和聚碳酸酯板充分接触；将充分接触的碳纳米角和聚碳酸酯板置于可见光下，照射1s，照射环境处于氮气保护下；停止光照，自然降温，即获得碳纳米角-聚碳酸酯预制体；最后将碳纳米角-聚碳酸酯预制体在清水中涮洗，即制得碳纳米角-聚碳酸酯复合板，可用来制作高性能阻燃材料。

实施例5：

配制石墨烯酒精分散液，在玻璃板上均匀倾倒石墨烯酒精分散液，然后烘干，使得石墨烯和玻璃板充分接触；将充分接触的石墨烯和玻璃板置于近红外光下，照射5s，照射环境处于氮气保护下；停止光照，自然降温，即获得石墨烯-玻璃预制体；最后将石墨烯-玻璃预制体在清水中涮洗，即获得石墨烯-玻璃复合板，可应用于透光电极。

实施例6：

配制足球烯二硫化碳分散液，在PMMA板上均匀倾倒石墨烯酒精分散液，然后烘干，使得足球烯和PMMA板充分接触；将充分接触的石墨烯和PMMA板置于近红外光下，照射1s，照射环境处于自然环境下；停止光照，自然降温，即获得足球烯-PMMA预制体；最后将足球烯-PMMA预制体在清水中涮洗，即获得足球烯-PMMA复合板，可作为透光电极。

实施例7：

将碳纳米管粉在空气作用下，喷射到尼龙纤维上，使得碳纳米管与尼龙纤维充分接触；将充分接触的碳纳米管和尼龙纤维置于近红外光下，照射0.5s；停止光照，自然降温，即获得碳纳米管-尼龙预制体；最后利用空气流冲洗碳纳米管-尼龙复合纤维，即制得碳纳米管-尼龙复合纤维，可用来制作空气过滤材料、防静电织物和吸波材料。

实施例8：

将碳纳米管干粉与玻璃粉充分搅拌混合，使得碳纳米管与玻璃粉充分接触；将充分接触的碳纳米管和玻璃粉置于可见光下，照射5s，照射环境处于氩气保护下；停止光照，自然降温，即获得碳纳米管-玻璃预制体；将碳纳米管-玻璃预制体放在筛网上用水冲洗，晾干，即获得碳纳米管-玻璃母粉，可用来制作放碳纳米管增强玻璃。

实施例9：

将碳纳米管和碳纳米纤维混合粉在空气作用下，喷射到玻璃纤维无纺布上，使得碳纳米管、碳纳米纤维与玻璃纤维充分接触；将充分接触的碳纳米管、碳纳米纤维和玻璃纤维无纺布置于可见外光下，照射5s，照射环境处于氩气保护下；停止光照，自然降温，即获得碳纳米管、碳纳米纤维-玻璃纤维复合无纺布预制体；最后利用空气流冲洗碳纳米管、碳纳米纤维-玻璃纤维复合无纺布预制体，即制得碳纳米管、碳纳米纤维-玻璃纤维复合无纺布，可用于空气过滤领域。

实施例10：

配制石墨烯/碳纳米管酒精分散液，在玻璃板上均匀倾倒石墨烯/碳纳米管酒精分散液，然后烘干，使得石墨烯/碳纳米管和玻璃板充分接触；将充分接触的石墨烯/碳纳米管和玻璃板置于近红外光下，照射5s，照射环境处于真空下；停止光照，自然降温，即获得石墨烯/碳纳米管-玻璃预制体；最后将石墨烯/碳纳米管-玻璃预制体在清水中涮洗，即获得石墨烯/碳纳米管-玻璃复合板，可应用于透光电极。

实施例11：

将碳纳米管和碳纳米纤维混合粉在空气作用下，喷射到涤纶纤维无纺布上，使得碳纳米管、碳纳米纤维与涤纶纤维充分接触；将充分接触的碳纳米管、碳纳米纤维和涤纶纤维无纺布置于可见外光下，照射1s；停止光照，自然降温，即获得碳纳米管、碳纳米纤维-涤纶纤维复合无纺布预制体；最后利用空气流冲洗碳纳米管、碳纳米纤维-涤纶纤维复合无纺布预制体，即制得碳纳米管、碳纳米纤维-涤纶纤维复合无纺布，可用于空气过滤领域。

实施例12：

配制碳纳米管和碳纳米纤维水分散液，在PMMA板上均匀倾倒碳纳米管和碳纳米纤维水分散液，然后烘干，使得碳纳米管/碳纳米纤维和PMMA板充分接触；将充分接触的碳纳米管/碳纳米纤维和PMMA板置于近红外光下，照射1s，照射环境处于自然环境下；停止光照，自然降温，即获得碳纳米管/碳纳米纤维-PMMA预制体；最后将碳纳米管/碳纳米纤维-PMMA预制体在清水中涮洗，即获得碳纳米管/碳纳米纤维-PMMA复合板，可作为透光电极。

Claims (12)

1.一种基于光热效应制备碳纳米复合材料的方法，所述碳纳米复合材料制备方法，将碳纳米材料与热熔性基材接触位置发生熔合，未接触部分热熔性基材不发生熔化，具体为：

A．碳纳米材料与热熔性基材充分接触；

B．将充分接触的碳纳米材料和热熔性基材置于光照下；

C．停止光照，降温，获得碳纳米复合材料预制体；

D．将碳纳米复合材料预制体进行清洗，以去除未结合的碳纳米材料。

2.  根据权利要求1所述的制备碳纳米复合材料的方法，其特征是：所述碳纳米复合材料制备方法，具体步骤A. B. C. D.可以重复进行，具体为按步骤A. B. C. D.完成后，可按A. B. C. D.步骤再进行重复。

3.  根据权利要求1所述的制备碳纳米复合材料的方法，其特征是：所述碳纳米材料为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、碳纳米角和足球烯中的一种或者多种混合。

4.  根据权利要求1所述的制备碳纳米复合材料的方法，其特征是：所述热熔性基材形状为纤维状、颗粒状、柔性片状、刚性片状或者块体状。

5.  根据权利要求1所述的制备碳纳米复合材料的方法，其特征是：所述热熔性基材材质为热塑性塑料和玻璃。

6.  根据权利要求1所述的制备碳纳米复合材料的方法，其特征是：所述碳纳米材料与热熔性基材充分接触，至少采用如下的一种方式：

（1）制备碳纳米材料的分散液，将碳纳米材料分散液充分浸润热熔性基材，将浸润有碳纳米材料的热熔性基材干燥，即获得碳纳米材料与热熔性的充分接触；

（2）将碳纳米材料采用气流喷射的方式，喷涂于热熔性基材上；

（3）采用干式搅拌混合的方式。

7.根据权利要求6诉述制备碳纳米复合材料的方法，其特征是：所述充分接触中，制备碳纳米材料分散液选用的分散介质为与所要复合的热熔性基材接触角小于90°。

8.  根据权利要求1所述的制备碳纳米复合材料的方法，其特征是：所述光照为可见光和红外光。

9.  根据权利要求1所述的制备碳纳米复合材料的方法，其特征是：所述光照的环境为大气环境或者真空环境或者惰性气体环境。

10.根据权利要求1所述的制备碳纳米复合材料的方法，其特征是：所述C步骤停止光照的时间，按从光照开始到接触部分基材熔化开始时间计。

11.根据权利要求1所述的制备碳纳米复合材料的方法，其特征是：所述C步骤降温为采用自然降温或强迫降温。

12.根据权利要求1所述的制备碳纳米复合材料的方法，其特征是：所示D步骤清洗为采用液态介质清洗或者采用气流清洗。