[发明专利]一种羟基化多壁碳纳米管-聚硅烷复合材料的制备方法

摘要

一种羟基化多壁碳纳米管-聚硅烷复合材料的制备方法，它涉及一种多壁碳纳米管-聚硅烷复合材料的制备方法。本发明的目的是要解决现有多壁碳纳米管-聚硅烷复合材料制备方法存在合成步骤复杂、反应不易控制和重复性较差，且制备得到的多壁碳纳米管-聚硅烷复合材料中硅元素含量低的问题。方法：一、进行纯化得到纯化后多壁碳纳米管；二、对纯化后多壁碳纳米管进行羟基化反应得到羟基化多壁碳纳米管；三、对羟基化多壁碳纳米管接枝硅烷单体得到硅烷-多壁碳纳米管；四、进行聚合反应得到羟基化多壁碳纳米管-聚硅烷复合材料。本发明主要用于制备羟基化多壁碳纳米管-聚硅烷复合材料。

主权项

一种羟基化多壁碳纳米管‑聚硅烷复合材料的制备方法，其特征在于羟基化多壁碳纳米管‑聚硅烷复合材料的制备方法是按以下步骤完成的：一、纯化：(1)煅烧：首先在温度为420℃~480℃下对多壁碳纳米管进行煅烧20min~40min，得到煅烧后的多壁碳纳米管；(2)硝酸纯化：将煅烧后的多壁碳纳米管倒入浓度为3mol/L~6mol/L的硝酸水溶液中，并在温度为20℃~25℃和搅拌速度为500r/min~1000r/min下搅拌12h~24h，然后利用G4砂芯漏斗进行过滤，过滤得到的滤饼采用蒸馏水冲洗，冲洗至滤液的pH=7±0.1为止，即得到硝酸纯化后的多壁碳纳米管；(3)盐酸纯化：将硝酸纯化后的多壁碳纳米管加入到浓度为3mol/L~5mol/L的盐酸水溶液中，并在温度为75℃~85℃下回流反应6h~8h，然后利用G4砂芯漏斗进行过滤，过滤得到的滤饼采用蒸馏水冲洗，冲洗至滤液的pH=7±0.1为止，即得到盐酸纯化后的多壁碳纳米管；(4)干燥：将盐酸纯化后的多壁碳纳米管置于真空干燥箱中，并在真空度为0.01MPa~0.03MPa和温度为50℃~70℃下真空干燥12h~24h，得到的干燥后产物利用研钵进行研磨，即得到纯化后多壁碳纳米管；步骤一(2)所述煅烧后的多壁碳纳米管的质量与浓度为3mol/L~6mol/L的硝酸水溶液的体积比为1g:(30mL~60mL)；步骤一(3)所述硝酸纯化后的多壁碳纳米管的质量与浓度为3mol/L~5mol/L的盐酸水溶液的体积比为1g:(30mL~60mL)；二、多壁碳纳米管羟基化：(1)制备硫酸亚铁溶液：首先将FeSO4·7H2O溶于蒸馏水中，然后在搅拌速度为500r/min~1000r/min下搅拌10min~20min，即得到浓度为0.15mol/L~0.8mol/L的硫酸亚铁水溶液；(2)制备多壁碳纳米管/硫酸亚铁悬浮液：将纯化后多壁碳纳米管加入到浓度为0.15mol/L~0.8mol/L的硫酸亚铁水溶液中，并在搅拌速度为500r/min~1000r/min搅拌混匀，即得到多壁碳纳米管/硫酸亚铁悬浮液；(3)羟基化处理：将H2O2以滴加速度为2mL/min~12mL/min滴加到步骤二(2)得到的多壁碳纳米管/硫酸亚铁悬浮液中，并在温度为20℃~25℃和搅拌速度为500r/min～1000r/min的条件下搅拌反应3h～12h，得到羟基化处理后多壁碳纳米管悬浮液；(4)净化干燥处理：首先向步骤二(3)的羟基化多壁碳纳米管悬浮液中加入质量分数为5%~10%的盐酸水溶液，然后利用G4砂芯漏斗进行过滤，过滤得到的滤饼用蒸馏水冲洗，冲洗至滤液的pH=7±0.1为止，然后置于真空干燥箱中，在温度为50℃~70℃和真空度为0.01MPa~0.03MPa下真空干燥12h~24h，即得到羟基化多壁碳纳米管；步骤二(2)中所述的纯化后多壁碳纳米管与浓度为0.15mol/L~0.8mol/L的硫酸亚铁水溶液中FeSO4的质量比1:(1~5)；步骤二(3)中所述的H2O2的体积与步骤二(2)得到的多壁碳纳米管/硫酸亚铁悬浮液中多壁碳纳米管的质量比为(30mL~60mL):1g；步骤二(4)中所述的质量分数为5%~10%的盐酸水溶液的体积与步骤二(2) 得到的多壁碳纳米管/硫酸亚铁悬浮液中多壁碳纳米管的质量比为(20mL~50mL):1g；三、接枝硅烷单体：(1)制备羟基化多壁碳纳米管/N,N‑二甲基甲酰胺‑吡啶悬浮液：首先在搅拌速度为500r/min~1000r/min的条件下将羟基化多壁碳纳米管均匀的分散于N,N‑二甲基甲酰胺中，然后在搅拌速度为500r/min~1000r/min的条件下加入吡啶，即得到羟基化多壁碳纳米管/N,N‑二甲基甲酰胺‑吡啶悬浮液；(2)制备二氯硅烷/N,N‑二甲基甲酰胺溶液：首先将二氯硅烷衍生物加入到N,N‑二甲基甲酰胺中，混匀后即得到二氯硅烷/N,N‑二甲基甲酰胺溶液；(3)接枝反应：首先在冰浴温度为‑6℃~0℃、搅拌速度为500r/min~1000r/min、氮气保护和避光条件下以滴加速度为0.5mL/min~4mL/min将步骤三(2)制备的二氯硅烷/N,N‑二甲基甲酰胺溶液滴加到步骤三(1)制备的羟基化多壁碳纳米管/N,N‑二甲基甲酰胺‑吡啶悬浮液中，然后在冰浴温度为‑6℃~0℃、搅拌速度为500r/min~1000r/min、氮气保护和避光条件下反应10min~30min，再在温度为20℃~25℃、搅拌速度为500r/min~1000r/min、氮气保护和避光条件下反应1h~3h，最后在温度为38℃~42℃、搅拌速度为500r/min~1000r/min、氮气保护和避光条件下反应1h~3h，得到接枝反应产物；(4)洗涤干燥：将步骤三(3)得到的接枝反应产物利用G4砂芯漏斗进行过滤，过滤得到的滤饼采用N,N‑二甲基甲酰胺洗涤3~5次，然后置于真空干燥箱中，在温度为50℃~70℃和真空度为0.01MPa~0.03MPa下真空干燥20h~30h，即得到硅烷‑多壁碳纳米管；步骤三(1)中所述羟基化多壁碳纳米管的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为1g:(100mL~400mL)；步骤三(1)中所述羟基化多壁碳纳米管的质量与吡啶的体积比为1g:(1mL~5mL)；步骤三(2)中所述二氯硅烷衍生物的质量与N,N‑二甲基甲酰胺的体积比为1g:(10mL~20mL)；步骤三(3)中所述羟基化多壁碳纳米管/N,N‑二甲基甲酰胺‑吡啶悬浮液中羟基化多壁碳纳米管与二氯硅烷/N,N‑二甲基甲酰胺溶液中二氯硅烷衍生物的质量比为1:(3~10)；四、聚合反应：(1)分散：首先在搅拌速度为1000r/min~1500r/min下将硅烷‑多壁碳纳米管分散于有机溶剂中，得到硅烷‑多壁碳纳米管/有机溶剂分散液；(2)加入碱金属：将碱金属加入步骤四(1)得到的硅烷‑多壁碳纳米管/有机溶剂分散液中，并在搅拌速度为1000r/min~1500r/min、温度为90℃~120℃和氮气保护下回流10min~30min，得到硅烷‑多壁碳纳米管/碱金属悬浮液；(3)制备二氯硅烷/有机溶剂溶液：将二氯硅烷衍生物溶于有机溶剂中，混匀后得到二氯硅烷/有机溶剂溶液；(4)聚合：在搅拌速度为1000r/min~1500r/min、温度为100℃~120℃、氮气保护和避光条件下以滴加速度为0.5mL/min~1.5mL/min将步骤四(3)制备的二氯硅烷/有机溶剂溶液滴加到步骤四(2)得到的硅烷‑多壁碳纳米管/碱金属悬浮液中，然后在搅拌速度为1000r/min~1500r/min、温度为100℃~120℃、氮气保护和避光 条件下回流反应3h~8h，然后在搅拌速度为500r/min~1000r/min和氮气保护下冷却至室温，冷却至室温后在搅拌速度为500r/min~1000r/min和氮气保护下加入反应终止剂，得到聚合产物；(5)洗涤干燥：将步骤四(4)得到的聚合产物利用G4砂芯漏斗进行过滤，过滤得到的滤饼采用蒸馏水洗涤3~5次，然后置于真空干燥箱中，在温度为50℃~70℃和真空度为0.01MPa~0.03MPa下真空干燥20h~30h，即得到羟基化多壁碳纳米管‑聚硅烷复合材料；步骤四(1)中所述的硅烷‑多壁碳纳米管的质量与有机溶剂的体积比为1g:(600mL~1000mL)；步骤四(2)中所述的碱金属与硅烷‑多壁碳纳米管/有机溶剂分散液中硅烷‑多壁碳纳米管的质量比为(10~15):1；步骤四(3)中所述的有机溶剂的体积与二氯硅烷衍生物的质量比为(10mL~20mL):1g；步骤四(4)中所述的二氯硅烷/有机溶剂溶液中二氯硅烷衍生物与硅烷‑多壁碳纳米管/碱金属悬浮液中硅烷‑多壁碳纳米管的质量比为(20~60):1；步骤四(4)中所述的反应终止剂的体积与硅烷‑多壁碳纳米管/碱金属悬浮液中硅烷‑多壁碳纳米管的质量比为(300mL~400mL):1g。