[发明专利]通过自由基聚合合成高分子碳纳米管复合材料的方法

说明书

本发明提供一种通过自由基聚合合成高分子碳纳米管复合材料的方法，把自由基引发剂通过共价键连接直接负载到碳纳米管表面，然后引发单体聚合，聚合物链通过共价键接枝到碳纳米管表面。采用本发明的方法，通过酯化反应把偶氮类自由基引发剂共价键接到碳纳米管表面，负载效果良好，引发剂不会脱落。用这种负载在碳纳米管上的引发剂引发单体聚合，通过优化聚合条件，可以得到不同碳纳米管含量的聚合物/碳纳米管复合材料。

技术领域

本发明属于碳纳米管材料技术领域，具体涉及一种通过自由基聚合合成高分子碳纳米管复合材料的方法。

背景技术

功能化碳纳米管在提高高分子材料的性能上的表现往往与它们在高分子基体中的分散性有关。选择合适的复合材料制备工艺，是实现功能化碳纳米管在高分子基体中均匀分散的关键。目前制备功能化碳纳米管的高分子复合材料主要有三种方法：熔融共混、溶液共混和原位聚合。这三种方法各有各的优势和劣势。例如，熔融共混也被称为机械混合法，采用此方法制备聚合物/碳纳米管复合材料时，首先将聚合物加热至熔融状态，然后利用机械搅拌产生的剪切力促使碳纳米管分散在聚合物基体中从而制备得到聚合物/碳纳米管复合材料。该方法可大规模操作、并且成本低，操作过程简单环保。溶液共混法是一种常见的聚合物基复合材料制备方法，将聚合物和填料分散在溶剂中，并通过超声或搅拌作用使两种材料混合均匀，最后除去溶剂制备得到聚合物基复合材料溶液共混则是通过溶剂把聚合物溶解再和碳纳米管或改性碳纳米管混合一定时间，再把溶剂蒸发掉，最后得到聚合物/碳纳米管复合材料。而原位聚合法是指在聚合物基体聚合反应之前将填料添加到聚合物中，之后在聚合过程中使填料均匀分散，从而制备出聚合物基复合材料。对聚合物/碳纳米管复合材料而言，就是首先将碳纳米管材料分散到聚合物单体中，然后加入引发剂引发聚合反应，最终得到聚合物/碳纳米管复合材料。

熔融得到的复合材料往往纳米填料分散性较差，这是因为随着碳纳米管填充量的增大，复合材料的粘度也随着增大，因而复合材料性能提高不多。溶液共混的缺点需要使用大量的有机溶剂，因此会对环境造成污染；为了碳纳米管的有效分散，碳纳米管或氧化碳纳米管往往要进行功能化修饰，改善其表面活性。当碳纳米管含量较高时，溶液混合法也很难使碳纳米管有效分散。原位聚合方法具有两个优点：一是同前两种方法相比，碳纳米管填料在聚合物基体上有较好的分散性，二是在复合材料体系中，聚合物和碳纳米管填料之间能形成很强的界面作用，有利于应力传递。除了填料在基体中的分散性，填料与基体的界面相互作用也是决定复合材料性能的重要因素。这在复合材料的力学性能上反映尤其明显，因为优良的界面性能能保证拉伸过程中应力从基体有效转移到填料中，即填料的增强效果会更显著。因此，许多研究人员致力于提高功能化碳纳米管与高分子基体的界面相互作用。其中，最有效的方法就是在表面接枝聚合物。所以采用原位聚合方法相比熔融混合和溶液混合可以得到分散更好，相互作用更强的纳米复合材料，但缺点是制备方法相对复杂，引入填料对聚合活性有一定影响。前面介绍了原位聚合方法中，基本上采用一锅法，就是功能化碳纳米管，单体、引发剂一起聚合，得到的复合材料中填料的分散性及填料和聚合物基体的相互作用改善不大，主要原因是聚合动力无法使碳纳米管片层剥离，而且随着填料含量增加团聚现象严重，无法达到填料的最优化效果。

发明内容

本发明提供一种通过自由基聚合合成高分子碳纳米管复合材料的方法，解决溶液混合及熔融混合方法制备的聚合物/碳纳米管复合材料存在的主要问题，主要是碳纳米管在聚合物中的分散性及和聚合物基体的相容性差。本发明采用原位聚合方法能较好的改善分散性及相容性问题。

本能发明的方法是把自由基引发剂通过共价键连接直接负载到碳纳米管表面，然后引发单体聚合，聚合物链通过共价键接枝到碳纳米管表面。由于高分子链聚合的动力，可以较好地分开碳纳米管片层，并且由于高分子链接枝到碳纳米管上，由于高分子链的相互作用，碳纳米管在聚合物基体中分散性好，而且不容易团聚，所以这个方法较好地解决了碳纳米管的分散性、和聚合物基体的相容性以及碳纳米管片层团聚问题。