[发明专利]碳管含量高且分散均匀的碳纳米管复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳管含量高且分散均匀的碳纳米管复合材料的制备方法。

背景技术

相对于金属材料和无机材料而言，聚合物材料具有力学性能差、导电性能差、使用温度低等劣势。从纤维或纳米粉体增强聚合物材料的报道中可以看出聚合物材料的力学性能，导电性和使用温度都有所提高。碳纳米管的拉伸强度可达到63GPa，是碳纤维拉伸强度的数十倍，被誉为“超级纤维”。相对于传统纤维材料，碳纳米管具有尺度小、比表面积大、长径比高、力学性能强等优势；相对于其他纳米粉体而言，它具有长径比高、力学性能强、导电性好等综合优势；同时碳纳米管具有独特的一维线性结构，是最为理想的复合材料增强体。采用碳纳米管制成的复合材料能够将结构增强与功能化融于一体，从而实现多功能高强复合材料。因此，理论上，为达到力学和电学性能的最佳改性的目的，要求碳纳米管的分散以及两相之间界面结合良好。对于力学性能的改性，要求碳纳米管在聚合物基体中应分散均匀，两相界面结合力强；对于电学性能的改性，碳纳米管需要在基体内形成导电网络，即碳纳米管之间应保持接触。

然而，由于碳纳米管的纳米尺度及团聚效应等因素使得制备理想结构的碳管复合材料成为实现其优越性能的重要障碍。目前国内外广泛采用的碳纳米管复合材料制备方法主要还是基于将粉末状碳纳米管与聚合物介质相混合的方法。如溶液共混法是将碳纳米管与聚合物在溶液环境下充分混合后再通过各种途径使溶剂挥发获得碳管复合材料的方法。熔融共混法是将碳管添加至一定温度下熔融的聚合物中，通过熔体的剪切作用力将碳管分散并于高聚物分子充分混合，再经延压，注塑或挤出成型等获得碳管增强聚合物的方法。这些共混方法制备的碳管复合材料中碳管体积含量低，分散不均匀，排列杂乱，没有充分体现碳纳米管的增强作用，所得到的复合材料性能的力学和电学性能并不理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳管含量高且分散均匀的碳纳米管复合材料制备方法，通过卷绕辊、气压式喷枪和加热装置的有效结合，并通过改变其工艺参数制备不同尺寸大小、不同厚度、不同层状结构的碳纳米管复合材料，该方法制备的碳纳米管复合材料可广泛应用于超级电容器、电池以及过滤材料中，其进一步研究亦可发展成为高性能、多功能的碳纳米管复合材料的制备方法，具有广阔的应用前景。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种碳管含量高且分散均匀的碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

第一步：将碳纳米管加入到第一可挥发性溶剂中，添加分散剂，在超声波振荡下，实现碳纳米管在第一可挥发性溶剂中的均匀分散，得到碳纳米管分散液；

第二步：将聚合物溶解在第二可挥发性溶剂中，得到聚合物溶液；

第三步：将卷绕辊连接控速电机，在卷绕辊的一侧通过喷枪将分散好的碳纳米管分散液喷洒在转动的卷绕辊上，在卷绕辊的另一侧通过喷枪将聚合物溶液喷洒在所述的卷绕辊上，启动设置在卷绕辊附近的加热装置，使第一可挥发性溶剂和第二可挥发性溶剂挥发；连续进行喷洒、卷绕和挥发过程，在卷绕辊上形成由碳纳米管和聚合物组成的碳纳米管复合材料。

优选地，第三步中用于喷洒碳纳米管分散液的喷枪和用于喷洒聚合物溶液的喷枪同时开启，以形成碳纳米管和聚合物均匀混合的碳纳米管复合材料。

优选地，第三步中用于喷洒碳纳米管分散液的喷枪间歇开启，以形成在厚度方向上碳纳米管与聚合物均匀混合层与聚合物层间隔分布的碳纳米管复合材料。

优选地，第三步中在用于喷洒碳纳米管分散液的喷枪和卷绕辊之间放置竖直方向上具有相互平行的空隙的格栅，以形成在水平方向上碳纳米管与聚合物均匀混合层与聚合物层间隔分布的碳纳米管复合材料。

优选地，第三步中所述的卷绕辊的材料为金属、高聚物、陶瓷或玻璃。卷绕辊通过控速电机调节其转绕方向、转绕速度和卷绕辊动程。

优选地，第三步中，在喷洒碳纳米管分散液和聚合物溶液之前，在卷绕辊的表面覆盖一层聚合物或金属薄膜，在聚合物或金属薄膜的表面喷洒脱模剂，以获得表面平整的碳纳米管复合材料，在聚合物或金属薄膜上形成由碳纳米管和聚合物组成的碳纳米管复合材料后，取下聚合物或金属薄膜，即得到碳纳米管复合材料。