[发明专利]用于制备导电聚碳酸酯复合材料的方法

说明书

本发明涉及一种基于热塑性聚碳酸酯和碳纳米管，制备导电聚碳酸酯复合材料的方法，其中用熔融聚碳酸酯将酸官能化的碳纳米管分散。在下文中，所述碳纳米管任选地简写为CNT(碳纳米管)。

基于其高结晶碳的化学结构和大表面积，碳纳米管具有大量特殊的性质。

根据现有技术，将碳纳米管主要理解为具有3-100nm直径和数倍于直径的长度的圆柱形碳管。这些管由一层或多层有序碳原子构成，并具有不同形态的核心。这些碳纳米管还称作例如“碳原纤”或“中空碳纤维”。

碳纳米管已经见诸于技术文献中很久了。尽管Iijima(出版：S.Iijima，Nature 354，56-58，1991)通常被认为是纳米管的发现者，但这些材料，特别是具有数个石墨层的纤维状石墨材料，自70年代和80年代早期便已知晓。Tates和Baker(GB 1469930A1，1977和EP 56004A2)首次描述了由烃的催化分解产生的极细纤维状碳沉积。然而，没有采用其直径对所述基于短链烃生产的碳长丝进行更加详细的表征。

这些碳纳米管的常规结构为圆柱形碳纳米管。这些圆柱形结构被划分为单壁的单一碳纳米管(单壁碳纳米管)和多壁的圆柱形碳纳米管(多壁碳纳米管)。用于其生产的常规方法例如为电弧法(电弧放电)、激光烧蚀、化学气相沉积(CVD法)和催化化学气相沉积(CCVD法)。

Iijima，Nature 354，1991，56-8公开了在电弧法中碳纳米管的形成，其包括两个或更多个石墨烯层，并卷起形成无缝的密闭圆筒，且相互嵌套。取决于卷绕矢量(Aufrollvektor)，相对于碳纤维的纵轴，可形成碳原子的手性和非手性排列。

Bacon等在J.Appl.Phys.34，1960，283-90中首次描述了其中基于独立的连续石墨烯层(所谓卷轴形)或不连续石墨烯层(所谓洋葱形)的纳米管构造的纳米管结构。该结构称作卷轴形。相应的结构后来同样还被Zhou等(Science，263，1994，1744-47)和Lavin等(Carbon 40，2002，1123-30)发现。然而，CNT的高表面活性度具有以下缺陷：CNT形成机械上非常稳定的团聚体，其尺寸在微米范围内，且很难将其结合再次分解。从而，迄今为止，存在很多在液体或聚合物基质中解决CNT解聚问题的尝试。

Xiao-Lin Xie、Yiu-Wing Mai和Xing-Ping Zhou于2005年在其“Materials Science and Engineering R 49，89-112”综述论文中描述了解聚的迫切性或团聚的防止以及碳纳米管的良好分散。用于制备具有常规填料含量的聚合物的普通配混方法是最简便的采用纳米填料替换微米填料的，并生产高性能聚合物的方案。然而，由于强烈的团聚趋势，纳米填料极难在聚合物基质中分散。为改进聚合物/CNT复合材料的分散，采用高效分散方法，例如超声技术和高速剪切单元。其通常在溶液中操作，如此使得能够应用超声。

Hilding、Grulke、Zhang和Lockwood在2003年的综述“Journal ofDispersion Science and Technology，第24卷第1期，1-41页，2003”中描述了纳米管在液体中的分散性和匀化的重要性。在碳纳米管生产工艺中，形成机械缠绕或团聚的不同形态的混合物。团聚的纳米颗粒必须常常悬浮于液体中，以使得材料具有出众的机械性质。

综述“Polymer Nanocomposites Containing Carbon Nanotubes，Macromolecules 2006，39，5194-5205”的作者Moniruzzaman和Winey非常全面地描述了当时采用碳纳米管生产纳米复合材料的现有技术和均匀性的重要。

本发明的目的在于开发一种生产聚碳酸酯-CNT复合材料的方法，其中所述复合材料中存在尽可能多的孤立的(sioliert)CNT，借此可改进能由此获得的聚合物复合材料的机械和电学性质。进一步的目的在于生产其中存在孤立CNT和尽可能少的CNT团块(Agglomerate)和团聚体Aggregate)的CNT材料。团块和团聚体应理解为小颗粒(在本文中为CNT纤维)的成团，其包含相互物理和/或化学结合的大量颗粒。在分散期间团块比团聚体更易于破碎成独立颗粒。

已经发现，通过将聚碳酸酯分子化学接枝在酸官能CNT表面上，在材料混合期间，能够实现高度的解聚，并可在很大程度上防止CNT再团聚。