[发明专利]二氧化硅包覆碳纳米管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物树脂的增强材料领域，特别是涉及一种二氧化硅包覆碳纳米管及其制备方法。

背景技术

碳纳米管作为典型的一维纳米材料，由于其极大的长径比和比表面积，使碳纳米管具有特殊的力学、热学、电学和光学性能。己经在科学界和工业领域中引起极大关注，被认为是增强聚合物树脂的理想材料。目前，碳纳米管/聚合物复合材料的各项性能，如力学、电学、热学、流变学等性能已经引起业界的广泛关注。

相对于传统增强材料，碳纳米管比表面积大几个数量级，因此与聚合物树脂能够有更多的接触面，可以在一定程度上提高应力的传递。但是，过大的比表面积会使碳纳米管聚集成团，而且由于碳纳米管之间的强吸引力，使得碳纳米管在聚合物树脂基体中分散不均匀且与聚合物树脂之间作用力较低；另一方面，由于碳纳米管具有较优异的导电性能，添加至聚合物树脂中将极大提高复合材料的导电性能，而在某些需要绝缘的领域，较高的导电性能限制了碳纳米管的应用。为了提高碳纳米管在树脂中的分散性以及碳纳米管和聚合物之间相互作用力，同时降低其导电性能，必须对碳纳米管进行表面修饰。其中利用包覆技术改善碳纳米管表面的性质具有广阔的应用前景，引起越来越广泛的关注。

二氧化硅（SiO₂）由于表面硅醇基和活性硅烷键能形成强弱不等的氢键结合，而具有吸湿性、消光性、绝热、绝缘性、机械性能优异等特殊性能，因此在电子封装材料、新型催化剂载体、选择性吸附剂、航空用的绝缘材料等领域，越来越受到人们的广泛应用。

利用碳纳米管的优异性能，结合SiO₂的绝缘性以及与聚合物基之间较强的结合力，目前已经有研究者制备了SiO₂包覆碳纳米管复合材料。所制备的SiO₂包覆碳纳米管复合材料由于表面存在绝缘的SiO₂层，降低了其导电性能，且SiO₂表面存在大量的羟基，容易与聚合物结合，增强了与聚合物的结合力。因此，SiO₂包覆碳纳米管复合材料具有广阔的应用价值。但是目前SiO₂包覆碳纳米管的方法存在诸多不足。

A.J.Paula等人(A.J.Paula,D.Stefani,A.G.S.Filho,et al.Chem.Eur.J.2011,17,p3228-3237)将多壁或者单壁碳纳米管酸化、氧化预处理，然后以正硅酸乙酯为硅原，在碱性条件下水解的方法制备SiO₂包覆碳纳米管复合材料。然而该方法由于对碳纳米管进行了酸化处理，破坏了碳纳米管本身的结构。

发明内容

基于此，有必要提供一种没有破坏的碳纳米管的结构的二氧化硅包覆碳纳米管的制备方法，以及上述二氧化硅包覆碳纳米管的制备方法制备得到的二氧化硅包覆碳纳米管。

一种二氧化硅包覆碳纳米管，包括碳纳米管以及包覆在所述碳纳米管外周的二氧化硅层；所述二氧化硅层的远离所述碳纳米管的一侧接枝有功能化基团。

在一个实施例中，所述功能化基团为氨基、烷基链、双键碳链、环氧基或巯基。

在一个实施例中，所述碳纳米管直径为20～40nm，二氧化硅层的厚度为5nm～100nm。

一种二氧化硅包覆碳纳米管的制备方法，包括如下步骤：

将碳纳米管、表面活性剂、无水乙醇和去离子水按质量比例为1:0.5～2:70～90:10～30混匀后调节pH为8～9.5，得到第一混合液；

将四烷氧基硅和无水乙醇按质量比例为1:10～30混匀后，在25℃～60℃下滴加至所述第一混合液中，搅拌状态下充分反应，得到第二混合液；

将硅烷偶联剂滴加至所述第二混合液中，搅拌状态下充分反应，分离纯化后得到所述二氧化硅包覆碳纳米管。

在一个实施例中，所述碳纳米管直径为20～40nm。

在一个实施例中，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钙或十二烷基硫酸钠。

在一个实施例中，所述四烷氧基硅为正硅酸乙酯或正硅酸甲酯。

在一个实施例中，所述四烷氧基硅与所述碳纳米管的质量比例为1～2:0.1～1。

在一个实施例中，所述硅烷偶联剂的端基为氨基、烷基链、双键碳链、环氧基或巯基。

在一个实施例中，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙稀酰氧基丙基三甲氧基硅烷。

在一个实施例中，所述硅烷偶联剂与所述碳纳米管的质量比例为1:5～20。