[发明专利]一种小分子氯代烷烃对碳纳米管表面改性的方法及其应用

说明书

本发明属于碳材料制备技术领域，一种小分子氯代烷烃对碳纳米管表面改性的方法及其应用，其中方法包括以下步骤：(1)制备分散液A，(2)制备分散液B，(3)向步骤2制得的分散液B中加入碳纳米管搅拌均匀，并置于烧瓶中，回流搅拌加热，(4)将步骤3得到的反应液，采用砂芯漏斗抽滤、并用乙醇淋洗、烘干，得到表面改性的碳纳米管。本发明方法具有能耗较少、成本低廉、重复性好、易于规模化制备等特点，采用这种方法制备的表面改性碳纳米管具有高分散性、良好的相容性、优异的润湿性和大量的活性位点等优点。

技术领域

本发明涉及一种小分子氯代烷烃对碳纳米管表面改性的方法及其应用，属于碳材料制备技术领域。

背景技术

碳纳米管(CNTs)是由单层或多层石墨烯片卷曲而成的中空无缝管状的纳米结构材料。碳纳米管具有优良的光学、场发射、耐强酸强碱和耐高温氧化等特性。碳纳米管可以被用在多种场合，例如：用碳纳米管作为增强相以提高复合材料的力学和电学性能、用碳纳米管作为催化剂或催化剂载体以提高催化性能、用碳纳米管作为二次电池和电容器的电极材料等。但是，碳纳米管与其他物质的相容性差，不易分散，严重影响了碳纳米管在各领域的应用。通过对碳纳米管进行有效的表面修饰，可以改善其分散性能，提升碳纳米管与基体材料之间的界面结合性。赋予碳纳米管新的优异性能，以实现其分子组装，获得各种性能优越的纳米材料，在材料领域、化工领域以及能源领域应用前景广阔。

碳纳米管常用的表面改性方法有机械研磨法、高能球磨法、超声波处理法、酸处理法、涂覆偶联剂法、化学镀法、高能射线辐照法、原子转移自由基聚合法等方法。其中，机械研磨法、球磨法和超声波处理法属于物理法改性。机械研磨法使碳纳米管表面形成晶格缺陷或晶格扭曲，从而得到高活性自由基，使碳纳米管易于与其他材料发生反应，但是其在研磨过程中不易控制，在形成晶格缺陷的同时容易导致碳纳米管的长度过短，失去原始碳纳米管具有的性能。高能球磨法是用球磨机的转动或振动使硬球对碳纳米管进行强烈的冲击、研磨和搅拌，最终使碳纳米管表面形成晶格缺陷，得到改性。缺点是容易在样品中混入硬球成分的杂质，难以分离。超声振荡法利用超声波的高频声波产生振荡，使碳纳米管在介质中进行分散，该方法工艺简单、易于控制。但是，该方法制备过程中会产生不必要的、难以清除的杂质附着在载体上，而且要求特制的超声发生装置，不适合大规模的生产，这可能会限制其实际应用。

酸处理法、涂覆偶联剂法、化学镀法、高能射线辐照法和原子转移自由基聚合法属于化学法改性。酸处理法利用碳纳米管的端头及弯折处易被氧化断裂，同时转化为羧基、羟基的特点，采用浓酸或者稀酸处理，使其两端或弯折处开口，引入羟基、羧基等官能团，进而增大碳纳米管与溶质间的亲和力，提高其在溶质中的分散性。但是，大量酸的使用致使该方法成本高，污染大、不符合绿色化工的发展理念。偶联剂法采用一种一端的分子结构和碳纳米管相似，另一端和要结合的材料相似的分子作为偶联剂，实现碳纳米管与要复合的材料的分子结合/桥连。这种修饰方法不会对碳纳米管本身的结构造成破坏，从而可以得到结构完整的经修饰的碳纳米管。但是，偶联剂的加入会造成材料成分复杂，对后续的应用造成较大的影响。化学镀法是近年来被大量研究应用的一种在材料表面制备连续致密包覆层的方法，具有操作方便、工艺简单、镀层均匀、孔隙率小、外观良好等特点。但是，镀层会造成材料比表面积的减小。高能射线辐照法指离子束、电子束、γ射线等含有高能量的射线，当这些高能射线照射到碳纳米管上的时候，会轰击碳纳米管，碳原子停留在晶格的间隙位置上产生间隙原子，在它原来的平衡位置则留下一个空位。此种方法，耗能较高，而且要求特制的辐照发生装置，不适合大规模的生产，从而限制其实际应用。原子转移自由基聚合法是近年来迅速发展并有着重要应用价值的一种活性聚合技术。它源于有机化学中的原子转移自由基加成反应，利用该技术可在碳纳米管表面接入聚合物分子链，从而获得拥有某些功能特性的碳纳米管。但是，聚合物的引入会降低其电性能，限制其应用。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种小分子氯代烷烃对碳纳米管表面改性的方法及其应用。该方法具有能耗较少、成本低廉、重复性好、易于规模化制备等特点，采用这种方法制备的表面改性碳纳米管具有高分散性、良好的相容性、优异的润湿性和大量的活性位点等优点。