CN106700297A - 一种羧基化碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种羧基化碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备方法。该制备方法包括以下步骤：实验过程分为三步：(1)将具有一定量的羧基化多壁碳纳米管(羧基含量0-8wt％、长度0.5-2μm、纯度＞95wt％，)，0.1ml表面活性剂曲拉通X-100，5ml的四氢呋喃，于60℃搅拌1h，控制反应温度60℃超声1h。(2)加入一定量聚苯乙烯(PS)于上述混合液种机械搅拌至完全溶解后，超声0.5h至碳纳米管完全分散均匀。(3)将混合液倒入特定的容器(法兰垫片直径5.5cm，高度2mm)，20min后将法兰垫片放入水中成膜，即可得到样品。本发明的方法具有工艺简单、实验周期短、成本低等优点。制备出了性能优异的聚苯乙烯多壁碳纳米管复合材料膜。

Description

一种羧基化碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种羧基化碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备方法，属于功能化材料技术领域。

背景技术

碳纳米管(CNTs)是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角度卷曲而成无缝纳米级管，碳纳米管表面的碳原子之间是以sp2杂化方式存在，碳管两端可认为是由半球形的富勒烯封帽形成，这种独特的结构使得碳纳米管具有很多优异的性能，例如大的长径比和比表面积、特殊的电学性质、优异的力学性能和热稳定性，这些特殊的性能使得多壁碳纳米管作为复合材料的填充体引起广泛的关注。然而，由于多壁碳纳米管的长径比和比表面积较大使得碳纳米管具有很高的表面能，多壁碳纳米管之间的范德华力作用很强，使得碳纳米管之间极易相互交织在一起，形成团聚体影响碳管在溶剂或聚合物基体中的分散性，致使复合材料的性能变差。因此，要使碳管在复合材料中具有较好的分散性，制得性能更加优异的碳纳米管复合材料，必须先对碳纳米管进行改性修饰。

碳纳米管的表面修饰：碳纳米管中的碳原子主要是sp²杂化，可以发生加成反应，在碳纳米管的表面连接一些功能化的基团，形成共价键修饰；也可以利用碳纳米管中的大π键的结构和其他π键直接发生π-π堆积，形成非共价键修饰。由于碳纳米管本身极容易发生团聚，而且不易溶于水和其他有机溶剂中，这些因素大大的限制了碳纳米管的应用。所以利用共价键修饰，使碳纳米管表面连接一些功能化的基团，以此来提高碳纳米管的溶解性和分散性，使得碳纳米管更容易被应用。

加成反应修饰碳纳米管，一般常见的有亲电加成反应和亲核加成反应。还有将苯乙烯接枝到碳纳米管的表面，然后进行聚合，得到聚苯乙烯-碳纳米管的复合材料。碳的亲核加成，可以用稳定的碳负离子与碳纳米管直接发生亲核加成反应，反应中产生的负离子还可以作为聚合反应的引发剂，最终可以得到聚合物-碳纳米管的复合材料，碳纳米管表面的聚合物侧链可以使得复合材料的机械性能显著提高。也可以利用亲核加成的中间体，然后加入不同的烷基和卤化物，这样可以得到多官能团修饰的碳纳米管衍生物。

随着碳纳米管的生产技术的不断发展，碳纳米管复合材料的实际应用更多的呈现在我们的生活中。诸如新型导电高分子材料、多功能聚合物复合材料、导电金属基复合材料以及高断裂应力陶瓷材料等。由于碳纳米管的有限性和珍贵性，当今，人们仍然把研究的重点放在开发碳纳米管含量低于质量分数10％的新型复合材料上。

聚苯乙烯是目前国际上应用最为广泛的一种热塑性塑料，呈无色透明状。聚苯乙烯一般是通过苯乙烯单体的自由基加聚反应聚合而成的。聚苯乙烯由于有高于100摄氏度的玻璃化转变温度，所以经常被用来制作成塑料杯或者一次性饭盒。因为聚苯乙烯在熔融状态时具有良好的流动性，所以常用于注射成型工艺，目前市场上出现的聚苯乙烯一般可分为通用性聚苯乙烯(GPPS)、耐冲击性聚苯乙烯(HIPS)和发泡聚苯乙烯(EPS)。

本发明主要介绍了一种羧基化多壁碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备方法。反应中采用几种不同羧基化含量的多壁碳纳米管/PS/四氢呋喃/表面活性剂混合溶液，反应过程中采用三阶段反应即溶解、分散及成膜阶段，并采用溶液共混法，以THF为有机溶剂，制备出聚苯乙烯多壁碳纳米管复合材料膜。

发明内容

本发明的目的是提供一种好的羧基化含量多壁碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的性能优越的方法。

本发明采用的技术方案是提供一种羧基化多壁碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备方法，该方法步骤如下：

1)将具有一定量的羧基化多壁碳纳米管(羧基含量0-8wt％、长度0.5-2μm、纯度＞95wt％，)，0.1ml表面活性剂曲拉通X-100，5ml的四氢呋喃，60°搅拌1h，控制反应温度60°超声1h。

2)加入一定量聚苯乙烯(PS)于上述混合液种机械搅拌至完全溶解后，超声0.5h至碳纳米管完全分散均匀。

3)将混合液倒入特定的容器(法兰垫片直径5.5cm，高度2mm)，20min后将法兰垫片放入水中成膜，即可得到样品。

采用溶液共混法制备一种羧基化碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备方法，所用材料为，聚苯乙烯；四氢呋喃；羧基化多壁碳纳米管(羧基含量0-8wt％、长度0.5-2μm、纯度＞95wt％，)；表面活性剂曲拉通X-100；

所述的方法为溶液共混法。

所述的分散多壁碳纳米管方法为控制一定转速的机械搅拌和超声波分散并用。

所述的制备羧基化多壁碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料过程使用表面活性剂曲拉通使复合材料膜表面更加圆滑，孔结构更加明显。

所述的制备的羧基化多壁碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料，具有一定羧基化含量的多壁碳纳米管添加到聚苯乙烯中，可有效控制复合膜材料的体积密度、热学及力学性能。

所述的制备羧基化多壁碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料当羧基含量高时，表面的孔就会随着羧基含量的增加而变大，聚苯乙烯和多壁碳纳米管之间的连接很好，表明碳纳米管在聚合物中的分散性很好。

本发明的有益效果是：

1)采用超声辅助氧化制备羧基化多壁碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料过程中，反应设备投资少，操作简单，功能化效率高以及对多壁碳纳米管的破坏程度低等优点。

2)实验过程中分三个阶段对不同羧基化含量多壁碳纳米管和聚苯乙烯在THF中共混反应，缩短了实验周期，降低了实验成本。

3)采用机械搅拌和超声同时进行的方式来使多壁碳纳米管在THF中分散均匀，可获得性能优越的碳纳米管/聚苯乙烯的复合材料。

附图说明

图1是实施例1制备的不同羧基化多壁碳纳米管-聚苯乙烯复合材料的扫描电镜分析。

图2是实施例1表面活性剂对不同羧基化多壁碳纳米管-聚苯乙烯复合材料中碳管分散的影响的扫描电镜分析。

具体实施方式

采用溶液共混法制备聚苯乙烯碳纳米管复合材料的方法，以不同羧基化含量的多壁碳纳米管/PS/THF/表面活性剂共混，，实验过程通过机械搅拌溶解、分散、成膜三个阶段并在分散阶段采用超声辅助碳纳米管分散均匀。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

一种羧基化碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备方法，该方法步骤如下：

1)羧基含量0，0.5，2，4，8wt％的多壁碳纳米管，0.1ml表面活性剂曲拉通X-100，5ml的四氢呋喃，60°搅拌1h，控制反应温度60°超声1h。

2)分散：加入PS机械搅拌完全溶解后，超声0.5h至碳纳米管完全分散均匀。

3)成膜：将混合液倒入特定的容器(法兰垫片直径5.5cm，高度2mm)，20min后将法兰垫片放入水中成膜，即可得到样品。

Claims (8)

1.一种羧基化碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备方法，其特征在于，该方法步骤如下，

1)将具有一定量的羧基化多壁碳纳米管(羧基含量0-8wt％、长度0.5-2μm、纯度＞95wt％，)，0.1ml表面活性剂曲拉通X-100，5ml的四氢呋喃，60°搅拌1h，控制反应温度60°超声1h。

2)加入一定量聚苯乙烯(PS)于上述混合液种机械搅拌至完全溶解后，超声0.5h至碳纳米管完全分散均匀。

3)将混合液倒入特定的容器(法兰垫片直径5.5cm，高度2mm)，20min后将法兰垫片放入水中成膜，即可得到样品。

2.根据权利要求1所述的一种羧基化碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备方法，其特征在于，所用材料为，聚苯乙烯；四氢呋喃；几种具有不同羧基化含量的多壁碳纳米管(羧基含量0-8wt％、长度0.5-2μm、纯度＞95wt％，)；表面活性剂曲拉通X-100。

3.根据权利要求1所述的一种羧基化碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备方法，其特征在于，实验过程主要分为三个阶段进行即：溶解阶段、分散阶段和成膜阶段。

4.根据权利要求1所述的一种羧基化碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备方法，其特征在于，所述的方法为溶液共混法。

5.根据权利要求1所述的一种羧基化碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备方法，其特征在于，为将碳纳米管分散均匀防止多壁碳纳米管发生团聚效应，采用机械搅拌和超声分散同时进行的方式。

6.根据权利要求1所述的一种羧基化碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备 方法，其特征在于，用不同羧基化含量的多壁碳纳米管修饰聚苯乙烯，以四氢呋喃为有机溶剂，制备出了聚苯乙烯多壁碳纳米管复合多孔材料膜。

7.根据权利要求1所述的一种羧基化碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备方法，其特征在于，添加表面活性剂的复合材料膜表面更加圆滑，孔结构更加明显。

8.根据权利要求1所述的一种羧基化碳纳米管与聚苯乙烯的复合材料的制备方法，其特征在于，具有一定羧基化含量的多壁碳纳米管添加到聚苯乙烯中，可有效控制复合膜材料的体积密度、热学及力学性能。