[發明專利]碳管含量高且分散均勻的碳納米管復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201210106946.7
• 申請日: 2012-04-12
• 公開（公告）號: CN102634153A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 許福軍;朱文斌;劉瑋;邱夷平
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: C08L29/04
• 分類號: C08L29/04;C08L63/00;C08L75/04;C08K3/04
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩;王婧

技術領域

本發明涉及一種碳管含量高且分散均勻的碳納米管復合材料的制備方法。

背景技術

相對于金屬材料和無機材料而言，聚合物材料具有力學性能差、導電性能差、使用溫度低等劣勢。從纖維或納米粉體增強聚合物材料的報道中可以看出聚合物材料的力學性能，導電性和使用溫度都有所提高。碳納米管的拉伸強度可達到63GPa，是碳纖維拉伸強度的數十倍，被譽為“超級纖維”。相對于傳統纖維材料，碳納米管具有尺度小、比表面積大、長徑比高、力學性能強等優勢；相對于其他納米粉體而言，它具有長徑比高、力學性能強、導電性好等綜合優勢；同時碳納米管具有獨特的一維線性結構，是最為理想的復合材料增強體。采用碳納米管制成的復合材料能夠將結構增強與功能化融于一體，從而實現多功能高強復合材料。因此，理論上，為達到力學和電學性能的最佳改性的目的，要求碳納米管的分散以及兩相之間界面結合良好。對于力學性能的改性，要求碳納米管在聚合物基體中應分散均勻，兩相界面結合力強；對于電學性能的改性，碳納米管需要在基體內形成導電網絡，即碳納米管之間應保持接觸。

然而，由于碳納米管的納米尺度及團聚效應等因素使得制備理想結構的碳管復合材料成為實現其優越性能的重要障礙。目前國內外廣泛采用的碳納米管復合材料制備方法主要還是基于將粉末狀碳納米管與聚合物介質相混合的方法。如溶液共混法是將碳納米管與聚合物在溶液環境下充分混合后再通過各種途徑使溶劑揮發獲得碳管復合材料的方法。熔融共混法是將碳管添加至一定溫度下熔融的聚合物中，通過熔體的剪切作用力將碳管分散并于高聚物分子充分混合，再經延壓，注塑或擠出成型等獲得碳管增強聚合物的方法。這些共混方法制備的碳管復合材料中碳管體積含量低，分散不均勻，排列雜亂，沒有充分體現碳納米管的增強作用，所得到的復合材料性能的力學和電學性能并不理想。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種碳管含量高且分散均勻的碳納米管復合材料制備方法，通過卷繞輥、氣壓式噴槍和加熱裝置的有效結合，并通過改變其工藝參數制備不同尺寸大小、不同厚度、不同層狀結構的碳納米管復合材料，該方法制備的碳納米管復合材料可廣泛應用于超級電容器、電池以及過濾材料中，其進一步研究亦可發展成為高性能、多功能的碳納米管復合材料的制備方法，具有廣闊的應用前景。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種碳管含量高且分散均勻的碳納米管復合材料的制備方法，其特征在于，具體步驟為：

第一步：將碳納米管加入到第一可揮發性溶劑中，添加分散劑，在超聲波振蕩下，實現碳納米管在第一可揮發性溶劑中的均勻分散，得到碳納米管分散液；

第二步：將聚合物溶解在第二可揮發性溶劑中，得到聚合物溶液；

第三步：將卷繞輥連接控速電機，在卷繞輥的一側通過噴槍將分散好的碳納米管分散液噴灑在轉動的卷繞輥上，在卷繞輥的另一側通過噴槍將聚合物溶液噴灑在所述的卷繞輥上，啟動設置在卷繞輥附近的加熱裝置，使第一可揮發性溶劑和第二可揮發性溶劑揮發；連續進行噴灑、卷繞和揮發過程，在卷繞輥上形成由碳納米管和聚合物組成的碳納米管復合材料。

優選地，第三步中用于噴灑碳納米管分散液的噴槍和用于噴灑聚合物溶液的噴槍同時開啟，以形成碳納米管和聚合物均勻混合的碳納米管復合材料。

優選地，第三步中用于噴灑碳納米管分散液的噴槍間歇開啟，以形成在厚度方向上碳納米管與聚合物均勻混合層與聚合物層間隔分布的碳納米管復合材料。

優選地，第三步中在用于噴灑碳納米管分散液的噴槍和卷繞輥之間放置豎直方向上具有相互平行的空隙的格柵，以形成在水平方向上碳納米管與聚合物均勻混合層與聚合物層間隔分布的碳納米管復合材料。

優選地，第三步中所述的卷繞輥的材料為金屬、高聚物、陶瓷或玻璃。卷繞輥通過控速電機調節其轉繞方向、轉繞速度和卷繞輥動程。

優選地，第三步中，在噴灑碳納米管分散液和聚合物溶液之前，在卷繞輥的表面覆蓋一層聚合物或金屬薄膜，在聚合物或金屬薄膜的表面噴灑脫模劑，以獲得表面平整的碳納米管復合材料，在聚合物或金屬薄膜上形成由碳納米管和聚合物組成的碳納米管復合材料后，取下聚合物或金屬薄膜，即得到碳納米管復合材料。