[发明专利]一种纳米碳流体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及改性碳材料功能材料领域，特别是一种新型纳米碳流体的制备方法。

背景技术

纳米碳材料种类繁多，主要有纳米碳黑、纳米石墨、纳米金刚石、石墨烯、碳纳米管或纳米碳纤维等纳米碳材料。其中，纳米碳黑作为一种古老的工业产品，主要用作橡胶的补强剂、油墨、涂料以及塑料的着色剂。随着新型纳米碳材料和聚合物基复合材料的发展，纳米碳材料被广泛应用为聚合物基复合材料的增强材料，可有效提高该复合材料的力学性能和电性能。但是，纳米碳材料粒子粒径小，比表面积大，非常容易团聚。制备纳米碳材料增强聚合物基复合材料时，团聚的纳米碳材料不能有效地均匀分散在聚合物基体中，导致成型后的纳米碳材料增强聚合物基复合材料出现孔洞，界面缺胶等问题，严重影响纳米碳材料增强聚合物基复合材料的使用性能。另外，纳米碳材料粒子疏松多孔的结构使得纳米碳材料具有强大的化学吸附性，在纳米碳材料的储存过程中，纳米碳材料会吸收空气中的水分等物质，这些物质会进一步加剧纳米碳材料的团聚。

为进一步扩宽纳米碳材料的应用范围，合成新型的功能性纳米碳材料，材料研究者们提出了很多纳米碳材料改性的新方法。

经对现有纳米碳材料改性的文献检索发现，改性手段主要包括以下几个方面：

1.未对纳米碳材料进行表面活化处理，直接在纳米碳材料表面接枝聚乙二醇、7-巯基丙基三甲氧基硅烷等高分子有机物。碳材料表面存在着羰基等惰性基团，难以与高分子有机物发生化学反应。该改性方法获得的改性碳材料表面高分子有机物接枝量很低，改性效果甚微。

2.对纳米碳材料进行表面活化处理，继而在活化碳材料表面接枝高分子有机物。但是，活化基团制备过程复杂，纳米碳材料改性后表面活化基团含量较少。该方法虽然已经很大程度上改善了原始纳米碳材料反应惰性，但是对纳米碳材料团聚的改善效果不明显。

3. 对纳米碳材料进行表面活化处理，继而在活化碳材料表面二次接枝高分子有机物。该方法是在氧化碳材料表面接枝一种有季铵基团的聚有机硅氧烷，然后再接枝聚乙烯乙二醇，获得高分子改性纳米碳材料粒子。该碳材料粒子经过二次接枝表面有机物含量急剧增加，使得改性碳材料粒子由颗粒状态成为流体状态。但是这个改性方法反应过程复杂，而且不能有效的控制反应的进行。

4.在超临界CO₂中制备小分子接枝碳材料，获得了一种分散性良好的纳米碳材料粒子。该改性方法对实验设备要求高，对碳材料和小分子物质的纯度要求高，少许的杂质会导致自由基失活，对接枝过程产生阻聚作用。

本发明采用氧化纳米碳材料、酸碱反应原理控制聚醚胺和碳材料的接枝过程等手段，获得了一种高活性的纳米氧化碳材料，进而接枝聚醚胺，获得了一种新型纳米碳流体。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种简单、可控的纳米碳流体的制备方法，该方法制备的纳米碳流体是一种两亲性的功能材料，能很好地分散在涂料、塑料、橡胶及功能聚合物基体中。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案： 

本发明提供的纳米碳流体的制备方法，具体是：先将原始纳米碳材料加入到强酸性氧化液中，强酸性氧化液为V(浓H₂SO₄):V(浓HNO₃)=3:1，获得一种表面含有-COOH的活性氧化碳材料；然后在超声和磁力搅拌的条件下，以含有胺基的聚醚胺为改性剂，加入到活性氧化碳材料悬浮液中，胺基和羧基在聚醚胺和氧化碳材料界面发生酸碱反应，完成聚醚胺和氧化碳材料的接枝；通过调节聚醚胺的类型和用量，可以得到室温下呈流体状的聚醚胺改性碳材料粒子。

所述纳米碳流体的制备方法，其步骤包括：

（1）氧化碳材料：

将浓硫酸、浓硝酸按配比配置成强酸性氧化液，加入到盛有原始碳材料的锥形瓶中，得到氧化碳材料混合液；将混合液超声至碳材料氧化完全，得到氧化碳材料反应液；将氧化碳材料反应液进行透析、烘干处理，得到氧化碳材料粒子，备用；

（2）酸性官能团含量评估：

配置稀HCl、稀NaOH溶液，利用酸碱滴定原理评估酸性官能团-COOH在碳材料表面的接枝含量；

（3）氧化碳材料/聚醚胺接枝反应：   

取适量氧化碳材料，均匀分散在去离子水中，得到氧化碳材料悬浮液；由酸碱反应原理确定聚醚胺的用量，将该聚醚胺溶解在去离子水中，得到聚醚胺溶液；将碳材料悬浮液滴定在聚醚胺溶液中，超声搅拌至氧化碳材料和聚醚胺反应完全，得到氧化碳材料/聚醚胺反应液；

（4）烘干氧化碳材料/聚醚胺反应液；