[發明專利]高度取向碳納米管/聚合物復合薄膜及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201210170874.2
• 申請日: 2012-05-29
• 公開（公告）號: CN102731949A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 彭慧勝;張慧
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: C08L33/12
• 分類號: C08L33/12;C08K7/00;C08K3/04;C01B31/02;B82Y30/00;C09K3/14
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于摩擦材料技術領域，具體涉及一種高度取向碳納米管/聚合物復合膜及其制備方法與應用。

背景技術

聚合物因成本低廉，合成方便，結構可控及性能優良等特點而在摩擦材料領域被廣泛研究與應用[1-3]。為提高材料的摩擦性能，往往采取向聚合物中加入第二組分的方法，以形成具有新性能的復合材料，常用作第二組分的包括凱夫拉纖維，金屬氧化物，非金屬氧化物和非金屬等[4-7]。盡管對于納米復合材料的研究已不新鮮，但這些材料無論是結構還是性能大多是各項同性的。因此，如何在納米尺度上設計和制備出結構可控的各向異性復合材料，仍是一個不小的挑戰[8,9]。一般來講，可以通過引進不對稱納米粒子或具有一維結構的材料如納米管，納米棒和納米線來實現復合材料的結構不對稱性[10-13]。迄今為止，這樣的結構設計在摩擦材料方面是很少見的，而具有各向異性摩擦性能的復合材料有望在諸多領域得到廣泛應用。

碳納米管是近年來被研究最多的一維納米材料之一[11]。這種獨特的結構賦予了碳納米管獨特優異的電學、力學和熱學性能。例如，不同結構的碳納米管可分為金屬管和非金屬管，碳納米管的電導率可達10⁵?S/cm[14]。碳納米管的楊氏模量高達1000GPa（是鋼的近五倍），拉伸強度可達100GPa（是鋼的近100倍）[15-16]。碳納米管的熱導率可達6000?W/(m·K)，而銅和鋼分別只有371和40.8?W/(m·K)?[17]。正因為有著如此優異的性能，碳納米管在諸多領域包括材料、電子、場發射、生物技術、醫藥和電化學等方面有著重要應用[18-21]。在許多情況下，碳納米管被用作填料添加到聚合物中，以充分發揮碳納米管和聚合物兩者的綜合優勢。通常，有三種制備碳納米管/聚合物復合材料的方法，分別是溶液法、熔融法和原位聚合法[22]。然而，這三種方法存在著一個共同的關鍵性挑戰，即碳納米管在聚合物基體中的無規分散會導致碳管不能在復合材料中充分發揮出其獨特優異的性能。例如，碳納米管和聚合物復合后拉伸強度和電導率分別只有幾十兆帕和10^-6-10^-3?S/cm[23]。這些問題嚴重限制了此類復合材料的實際應用。

于此，本發明提供了一種簡單的方法，制備了一種碳納米管在聚合物中保持高度取向并具有部分露出聚合物基體外表面結構的復合材料，有望在高性能結構材料方面得到廣泛應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有各向異性摩擦性能的高度取向碳納米管/聚合物復合薄膜材料及其制備方法與應用。

本發明提供的具有各向異性摩擦性能的高度取向碳納米管/聚合物復合膜，通過旋涂法將聚合物溶液與高度取向的碳納米管柵復合成膜而獲得。其中，所述聚合物溶液為5-15wt%聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液，碳納米管在聚合物基體中是高度取向的，且復合膜有一面的碳納米管側壁部分裸露于空氣中，體現出微摩擦各向異性的特征，同時，該復合膜還表現出優異的力學、電學和熱學性能。???

本發明的碳納米管/聚合物復合薄膜制備的具體步驟如下：?

1.?高度取向碳納米管柵的制備

以在Si/SiO₂基底上沉積的厚度為0.8-1.4nmFe和厚度為1-4nm?Al₂O₃作為催化劑，以乙烯為碳源，以氬氣和氫氣為載氣，730-770℃下開始生長碳納米管，生長時間為5-15min，得到高度約為150-350μm。然后從碳納米管陣列中拉出10-30層碳納米管柵，固定在玻璃基底上；再在碳納米管柵表面滴上乙醇，加熱烘干，如此反復2-3次，之后進行熱處理，將溶劑處理后的碳納米管柵置于管式爐中，空氣中升溫至200-400℃并穩定30-60min后自然冷卻取出。

2.?高度取向碳納米管/聚合物復合材料的制備?

首先配制5-15wt%的聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液，隨后用勻膠機將聚合物溶液旋涂到碳納米管柵上。旋涂轉速為1000-1500rpm，時間為50s-1min；在此過程中，溶劑揮干成膜。最后，將復合膜浸泡于0.05-0.2mol/L氫氧化鈉水溶液中，片刻（一般為3—10分鐘）后取下。復合膜緊貼玻璃基板的一面用于微摩擦測試。