[发明专利]利用碳纳米颗粒的插层制备纳米结构材料的方法

说明书

一种制备纳米结构材料(10)的方法，其包括以下步骤：提供具有选定组成的碳纳米颗粒(CNP)(12)混合物；提供配置为对所述碳纳米颗粒(CNP)(12)进行插层的插层纳米颗粒(INP)(14)；通过以选定的CNP：INP之比混合所述插层纳米颗粒(INP)(14)，对所述碳纳米颗粒(CNP)(12)进行插层，以形成插层材料；以及以选定的浓度将所述插层材料与基础材料(16)结合，所述基础材料(16)为所述插层材料提供基质。

背景技术

本发明涉及通过使用插层纳米颗粒(INP)对碳纳米颗粒(CNP)进行插层来制备纳米结构材料(如塑料)的方法。本发明还涉及使用该方法制造的纳米结构材料。

众所周知，不同类型的纳米颗粒(NP)(例如：纳米碳、纳米粘土、纳米金属)在纳米尺度上展示出优异的性能，但是它们在宏观应用中的性能受限于这些纳米颗粒在相应材料中的分散度。在大多数情况下，NP的分散不仅受到其强大的固有分子引力的阻碍，而且还受到其与分散介质的相容性、其润湿性和粘度以及所采用的混合方式的阻碍。例如，纳米复合材料各特性(如电、热、机械特性)的最终表现主要受限于：(a)基质-NP界面的质量，以及(b)NP从其初级团聚体分散/剥落的程度。

本发明涉及一种制备纳米结构材料的方法，该方法有助于纳米结构材料中的碳纳米颗粒(CNP)更有效地分散和剥落。本发明还涉及使用该方法而形成的纳米结构材料，包括高性能多功能的杂化和复合材料，适用于化学和分离工艺、纳米装置和其他纳米技术应用。

发明内容

一种制备纳米结构材料(10)的方法，其包括以下步骤：提供具有选定组成的碳纳米颗粒(CNP)混合物；提供配置为对所述碳纳米颗粒(CNP)进行插层的插层纳米颗粒(INP)；通过以选定的CNP：INP之比混合所述插层纳米颗粒(INP)，对所述碳纳米颗粒(CNP)进行插层，以形成插层材料；以及以选定的浓度将所述插层材料与基础材料结合，所述基础材料为所述插层材料提供基质。

在说明性实施方式中，为了制造塑料纳米结构材料，插层纳米颗粒可以包括埃洛石纳米颗粒(HNP)，而形成插层材料基质的基础材料可以包括聚合物，例如聚酰胺。另外，在该说明性实施方式中，碳纳米颗粒(CNP)混合物可包括高百分比的碳纳米管颗粒(CNT)或碳纳米纤维颗粒(CNF)，以及(或可替代地)其他类型的碳纳米颗粒(CNP)。例如，碳纳米颗粒(CNP)混合物可包括石墨烯颗粒、石墨颗粒，炭黑，“非晶态”次晶或多晶碳颗粒、纳米金刚石、或者单层或多层富勒烯颗粒。

插层步骤可以包括高能混合过程，其中碳纳米颗粒(CNP)和插层纳米颗粒(INP)悬浮在液体介质中。在插层步骤中，插层纳米颗粒(INP)的作用是将各种类型的碳纳米颗粒(CNP)从其初始团聚体中剥落和分散。也可以采用不同类型的化学改性或表面处理，将纳米改性剂同时作用于碳纳米颗粒(CNP)和插层纳米颗粒(INP)，以增强插层步骤的协同作用。

通过该方法生产的纳米结构材料包括被基础材料(如聚合物)中的插层纳米颗粒(INP)(如埃洛石纳米颗粒(HNP))插层的碳纳米颗粒(CNP)，例如碳纳米管颗粒(CNT)或碳纳米纤维颗粒(CNF)。

附图说明

在附图部分的参考图中示出了示例性实施方式。本文公开的实施方式和附图应被视为说明性而非限制性的。

图1是(a)包括碳纳米管(CNT)的碳纳米颗粒(CNP)混合物以及(b)包括碳纳米纤维(CNF)的碳纳米颗粒(CNP)混合物的透射电子显微照片；

图2是天然存在的埃洛石纳米颗粒的透射电子显微照片；

图3是埃洛石初级团聚体的(a)低倍和(b)高倍扫描电子显微照片；

图4是用于制备纳米颗粒增强塑料的定制螺杆的示意图；以及

图5是根据该方法制造的纳米结构材料的放大示意性截面图。

具体实施方式