[发明专利]在聚合物基质中分散碳纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料领域，更具体地涉及纳米复合材料。本发明涉及在聚合物基质中分散碳纳米管的改进方法。

背景技术

在聚合物基质复合材料中，根据颗粒的尺寸可以区分“微米复合材料”和“纳米复合材料”，“微米复合材料”指填料的三维尺度大于或等于微米，“纳米复合材料”是指填料的三维尺度中至少之一小于100nm，甚至大约为一至几十纳米。

纳米复合材料在工业领域特别受关注，因为它们具有相对较低的填料比(即小于10重量％)的显著性能。实际上，它们明显提高聚合物基质的机械或电性能。此外，与原纤维类型的增强不同，它们在所有空间方向增强聚合物基质。

已经提出包含碳纳米管作为颗粒填料的纳米复合材料用于各种应用。

然而，实际上，碳纳米管在聚合物基质中作为填料以形成纳米复合材料的应用遇到了问题。实际上发现，碳纳米管倾向于聚集在一起形成十分稳定的“束”，也称作聚集体或附聚物。这种聚集体的存在不利地影响它们存在于其中的复合材料的物理和机械性能。

为了避免这种聚集现象和保持形成所述复合材料的聚合物基质的物理、机械和电性能，考虑到了涂覆碳纳米管。因此，文献WO02/16257公开一种组合物，其包含聚合物涂覆的单壁碳纳米管。还可以提及的是文献WO2005/040265，其中公开了一种组合物，其包含聚合物基质和0.1至10重量％聚苯胺涂覆的碳纳米管。

然而，这些解决方案可以限制聚集体的尺寸而不能完全防止聚集体的形成，以获得纳米级的均匀分散。

此外，文献WO2005/012170公开一种特别的涂覆方法，该方法可以增加碳纳米管与它们所分散于其中的聚合物基质之间的相容性。这可以获得碳纳米管在聚合物基质中均匀和稳定的分散。所述方法的特征在于，碳纳米管由于在其表面固定助催化剂/催化剂对而被用作催化载体，以形成催化体系。在碳纳米管表面进行聚合之前活化催化体系以围绕这些碳纳米管形成涂层。

然而，上述方法中使用的涂覆用聚合物涉及的是与复合材料的聚合物基质可溶混的涂覆用聚合物。而根据本发明，使用基质和涂覆用的溶混的聚合物是不必要的，甚至可能起反作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决方案，其没有现有技术中的缺点。

具体地，本发明的目的在于提供一种在聚合物基质中分散碳纳米管的改进方法，所述聚合物基质与用于涂覆碳纳米管的聚合物要么是不溶混相容的，要么是不溶混不相容的。

本发明的目的还在于使用改进的分散方法以获得纳米复合材料，其中碳纳米管在纳米级上均匀分散在聚合物基质中。

本发明涉及一种在主体聚合物基质中碳纳米管的分散方法，该方法包括下列步骤：

-借助于催化体系，通过单体聚合方法制备以涂覆用聚合物涂覆的碳纳米管，在该催化体系中，使用所述碳纳米管作为催化载体，所述碳纳米管在其表面上包括用于所述涂覆用聚合物的聚合的所述催化体系，所述涂覆用聚合物与所述主体聚合物基质是不溶混的，

-将所述涂覆的碳纳米管与不溶混的所述主体聚合物基质混合，所述涂覆用聚合物充当碳纳米管在所述主体聚合物基质中的输送体(transporteur)。

“主体聚合物基质”是指形成复合材料的基质的聚合物，其中分散有也被称作填料的颗粒。

当在不同测量级上观察相分离效果时，两种聚合物被视为不溶混相容或不相容的。使用扫描电子显微镜观察混合物可以在微米级上观察到这种相分离，这通常显示出在多数聚合物中的少数聚合物的小结。在准分子级上，由于两个玻璃化转变温度的存在而观察到两种聚合物的不溶混性，两个玻璃化转变温度是构成混合物的两种聚合物的特征。这些玻璃化转变可以通过各种技术测量，如差示扫描量热法或动态力学分析。

当混合物的自由能(ΔG_mix)大于或等于0时，则两种聚合物被视为是不溶混的。

当混合物的自由能大于或等于0，当没有观察到两者各自的玻璃化转变温度(Tg)的变化，当混合物具有大于0的弗洛里-哈金斯(弗洛里-哈金斯)参数χ(chi)，并且当界面张力高时，则两种聚合物被视为是不溶混不相容的。界面张力与弗洛里-哈金斯参数χ(chi)的平方成正比，如果其大于2mN/m则被认为“高”。

当混合物的自由能大于或等于0，当观察到两者各自的玻璃化转变温度(Tg)的变化，当混合物具有低但大于0的弗洛里-哈金斯参数χ(chi)，并且当界面张力低时(即0-2mN/m)，则两种聚合物被视为是不溶混相容的。界面张力与弗洛里-哈金斯参数χ(chi)的平方成正比，如果其为0-2mN/m则被认为“低”。