[发明专利]表面羧基官能化的碳纳米材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及碳纳米材料及其制备方法，具体涉及一种表面羧基官能化的碳纳米材料及其制备方法和应用。 

技术背景

碳纳米材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。碳纳米材料主要包括四种类型：石墨烯，碳纳米管，碳纳米纤维，碳纳米球。 

（1）石墨烯：石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的材料。 

（2）碳纳米管：碳纳米管是由碳原子形成的石墨片层卷成的无缝、中空的管体，其直径一般为2～20nm，可分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和双壁碳纳米管。 

（3）碳纳米纤维：碳纳米纤维是由多层石墨片卷曲而成的纤维状碳纳米材料，它的直径一般在50～200nm，长度分布在0.5μm～100μm，是介于碳纳米管和普通碳纤维之间的准一维碳材料，具有较高的结晶取向度、较好的导电和导热性能。 

（4）碳纳米球：根据尺寸大小将碳球分为：富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2～20nm之间），如C60，C70等；未完全石墨化的纳米碳球，直径在50nm～1μm之间； 

由于碳纳米材料独特的结构特征，使其具有不同寻常的物理、化学和机械性能等，被认为在一维传导器、超强复合材料、超硬材料、储氢材料、催化剂和催化剂载体、高效吸附剂、吸波材料等领域的具有广阔的应用前景，受到很多研究者的重视。 

碳纳米材料在水或有机溶剂中的不溶、难分散，导致了在与橡胶、塑料等有机物配合时相容性差。难混入，难分散，不能充分发挥碳纳米纤维的优异性能，大大限制了碳纳米材料的应用。对碳纳米材料表面羧基官能化有深远的意义，它可以大大拓宽碳纳米材料在有机复合物中的应用，制备出性能优异的碳纳米复合材料。 

就碳纳米材料的表面羧基官能化而言，目前文献报道的所采用方法主要为用氧化性酸处理。此方法得到的表面羧基官能化的碳纳米材料，表面的羧基数量不可控，且在得到表面羧基的同时，碳纳米材料会被截短或破碎，从而破坏了碳纳米材料的原有结构。在很多领域的应用，受到了很大的限制。 

发明内容

为了克服现有技术和方法的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种表面羧基官能化的碳纳米复合材料的制备方法。 

本发明的另一个目的在于提供一种通过上述制备方法制备得到的表面羧基官能化的碳纳米复合材料。 

本发明还有一个目的在于提供上述表面羧基官能化的碳纳米复合材料在碳纳米复合材料制备中的应用。 

本发明通过以下技术方案实现的： 

一种表面羧基官能化的碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤： 

（1）含酰氯基的官能化碳纳米材料的制备：将100mg碳纳米材料加入到100mL的羧化反应促进剂中，超声分散，加入1～11g酰氯、3～5g催化剂，反应，过滤，滤渣即为含酰氯基的官能化碳纳米材料； 

（2）表面羧基官能化的碳纳米材料的制备：将100mg步骤（1）制备的含酰氯基的官能化碳纳米材料加入到100mL的酸性溶液中，超声分散，静止，过滤，将滤渣洗涤，干燥，即得表面羧基官能化的碳纳米材料。 

步骤（1）所述的碳纳米材料为含芳香氢的碳纳米材料；其中，优选的芳香氢的碳纳米材料为石墨烯、单壁碳纳米管、双壁纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米纤维或碳纳米球； 

所述的羧化反应促进剂为甲苯、四氢呋喃、N,N–二甲基甲酰胺、N–甲基吡咯烷酮、氯仿、二氯甲烷中的一种或两种以上；其中，优选的羧化反应促进剂为N,N–二甲基甲酰胺或甲苯； 

所述的超声分散的时间为5～15min； 

所述的酰氯为乙二酰氯、丙二酰氯、丁二酰氯、戊二酰氯、己二酰氯、庚二酰氯、辛二酰氯、壬二酰氯、癸二酰氯、对苯二甲酰氯中的一种或两种以上；其中，优选的酰氯为乙二酰氯、苯二甲酰氯或辛二酰氯；所述的催化剂为五氧化二磷、三氯化铝或四氯化锡； 

所述的催化剂为三氯化铝、三氯化铁、四氯化锡、三氟化硼、五氯化铌、五氟化锑、五氧化二磷中的一种或两种以上；其中，优选的催化剂为五氧化二磷、三氯化铝或四氯化锡； 

所述的反应是是温度20～30℃下反应48～72； 

所述的过滤是用孔径为0.45μm的聚偏二氟乙烯或聚四氟乙烯微孔滤膜过滤。