[发明专利]一种官能化碳纳米管纸及其复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种官能化碳纳米管纸及其复合材料的制备方法，属于化工技术领域。

背景技术

碳纳米管纸（也称为Buckypaper，巴基纸）是一种由相互缠绕的碳纳米管，通过管与管间的范德华力构成的纸状薄层，它独特的自支撑结构赋予其突出的力学、电学和热学性能，因而在制动器、传感器、电容器、电极、燃料电池、场发射显示器、结构与功能复合材料等领域具有广阔的应用前景。

为了充分发挥和利用碳纳米管纸优异的综合性能，将碳纳米管纸作为增强材料与高分子材料的复合研究已成为推动碳纳米管纸应用发展的重要途径之一，引起了材料学家和工程技术人员的广泛重视。尤其值得一提的是，大量的研究成果已经证实，由于碳纳米管纸能够在克服碳纳米管复合材料高粘度以及实现碳纳米管高填充量的同时，能够保证碳纳米管在聚合物中均匀地分散，因而它与高分子材料的复合能够实现碳纳米管纸和高分子材料间力学性能的非线性加和，并获得具有超强机械强度的高性能复合材料（QF Cheng, JW Bao, etal. Advanced Functional Materials, 2009, 19, 3219-3225; JW Bao, ZY Liang, etal. US 2010/0227155 Al；包建文. 中国材料进展, 2009, 28, 19-27）。然而，从有机/无机复合的角度理解，单根碳纳米管的抗拉强度为11~130GPa，杨氏模量为1000~1800GPa，而现有碳纳米管纸/高分子材料复合材料的抗拉强度仅为0.2~2.1GPa，杨氏模量为33~170GPa，显然仍远未体现有机/无机复合手段在协同增强材料力学性能上的优越性，其机械强度仍有显著提高的潜力。因此，基于碳纳米管纸及其复合材料的高性能化研究仍需另辟蹊径，探索新的发展思路。

复合材料主要由树脂、增强材料和界面相所组成的，在多数情况下，界面相是复合材料性能优劣的决定性因素。就碳纳米管纸/聚合物复合材料而言，其界面相所占的比例更远远高于常规复合材料，因而如何赋予其优异的界面粘接强度对于碳纳米管纸/聚合物复合材料的高性能化及其在结构与功能复合材料领域中的应用具有举足轻重的作用。碳纳米管与树脂之间的结合方式主要有分子间作用力，机械咬合以及化学键结合等，其中，化学键合是强作用力，机械咬合力和分子间作用力则较弱。为了赋予复合材料高的界面粘结强度，常通过化学或者物理的方法对碳纳米管进行官能化表面处理，从而增加其与聚合物的界面作用力，实现复合材料高性能化的目的。目前，尽管官能化碳纳米管纸的制备研究取得了一些突破性进展，但其在结构与功能复合材料中的应用仍面临诸多困难和挑战，主要表现在：1）目前采用CVD法制备碳纳米管纸均难以在树脂与碳纳米管间形成有效的化学键，从而不利于应力在界面的有效传递，最终导致碳纳米管优异的增强改性效果未得到充分地体现。2）现有研究工作主要采用悬浮液抽滤法来制备官能化碳纳米管纸，即先采用表面活性剂或高极性溶剂将官能化碳纳米管分散在液体溶剂中形成悬浮液，而后通过抽滤得到官能化碳纳米管纸。然而，前者无法在不破坏碳纳米管表面官能团的前提下，除去残余的表面活性剂，而残余的表面活性剂却不仅不利于复合材料的相界面形成有效的化学键合力，而且在复合材料本体中作为杂质对复合材料的高性能化反而有严重的负面作用；后者采用大量的高沸点、有毒有机溶剂作为溶剂，其制备工艺复杂，不利于工业化规模生产，且因需大量使用有毒有机溶剂而不适应环保意识不断增强的环境友好型材料的发展。因此，如何探索新颖的官能化碳纳米管纸的制备方法是碳纳米管纸/聚合物复合材料高性能化所亟待解决的关键课题之一。

针对现有碳纳米管纸/聚合物复合材料高性能化所存在的问题，提供一种官能化碳纳米管纸及其复合材料的制备方法，且该制备方法简单、适用性广、成本低廉，从而能够解决碳纳米管纸/聚合物复合材料高性能化所亟待解决的关键课题，具有十分重要的应用价值和学术意义。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种官能化碳纳米管纸及其复合材料的制备方法，且该制备方法简单、适用性广、成本低廉，从而能够解决碳纳米管纸/聚合物复合材料高性能化所亟待解决的关键课题。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：提供一种官能化碳纳米管纸的制备方法，其特征在步骤包括：

1）在-10~140℃下将碳纳米管加入发烟硫酸中插层0.1~96h，然后在温度为-10~60℃、搅拌条件下经硝酸氧化处理0.1h~480h后，用离心分离或纳米滤膜过滤，经去离子水洗涤至中性，即得官能化碳纳米管。

2）将官能化碳纳米管自由分散于溶剂中，经抽滤即得官能化碳纳米管纸。