[發明專利]通過調溫引導聚合物修飾碳納米管在水中自組裝的方法

有效

• 申請號: 201210540823.4
• 申請日: 2012-12-14
• 公開（公告）號: CN103030130A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 王國建;武英杰;劉洋
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C01B31/00
• 分類號: C01B31/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

技術領域

本發明涉及一種通過調溫引導聚合物修飾碳納米管在水中自組裝的方法，利用選擇的聚合物對碳納米管進行表面修飾，使碳納米管擁有在水中自組裝的能力。該方法可得到高度取向、平行排列的碳納米管管束，自組裝體外形規整、尺寸達到微米級。

背景技術

日本Iijima于1991年發現了碳納米管，該一維納米材料由單層或多層石墨卷繞而成，具有中空筒柱型結構。碳納米管具有優異的機械、光學、電學和熱學性能，不僅能作為檢測儀器和傳感器的探針、納米導線等微電子元器件，而且還能用來制備增強材料、導電材料、導熱材料、光電材料和熱電材料。

目前研究得較多的是如何提高碳納米管的分散性以及與基體材料的相容性，但是分散均勻的碳納米管都是無規排列，雜亂排列的碳納米管表現為各向同性，體現不出一維材料的特性。碳納米管具有極大的長徑比，表現出各向異性，其軸向上的力學、導電和導熱性能遠遠高于徑向上的同樣性能。規整排列的管束可將單根碳納米管軸向上的優異性能加以集中和放大，作為微電子元器件，自組裝體擁有比單根碳納米管更遠大的應用前景。將自組裝體加入基體材料，可制得導電、導熱、機械性能各向異性的特種功能材料，能廣泛的應用于航空航天、交通運輸、風力發電等領域。

為實現碳納米管的定向排列和規整排列，國內外開展了大量的工作，主要有“干法”和“濕法”兩種途徑。其中“干法”是將催化劑“種植”在預設的、規整的模版中或者利用外加電場引導碳納米管定向生長，從而實現碳納米管定向排列和平行排列。相對于“干法”，“濕法”指使碳納米管在液體中實現定向排列或規整排列。有研究人員將碳納米管分散到定向流動的液體中，通過流動場實現了碳納米管的定向排列。還有研究者通過在基體材料上蝕刻出一道道微米級的溝槽，使碳納米管自然沉降到溝槽中，從而實現碳納米管的定向、平行排列。

發明內容

本發明的目的在于提供一種通過調溫引導聚合物修飾碳納米管在水中自組裝的方法。

本發明提出的通過調溫引導聚合物修飾碳納米管在溶劑中自組裝的方法，是將聚合物吸附到碳納米管表面，然后將吸附有聚合物的碳納米管分散到水中，通過改變溫度使碳納米管在水中快速自組裝，通過靜置法或離心法可得到碳納米管的自組裝體。

具體步驟如下：

（1）：將碳納米管0.1～10g和強氧化性酸1～1×10³mL混合，超聲波處理0.5～12小時，于25～120℃氧化0.5～24小時。反應結束后經去離子水稀釋洗滌，然后過濾分離，反復洗滌至濾液呈中性，干燥后得酸化碳納米管；

（2）：將步驟（1）得到的酸化碳納米管0.1～10g和0.1～50g聚合物加入到25～1×10³ml水中，超聲波分散0.1～24小時，于35～45℃攪拌1～72小時，得到聚合物修飾的碳納米管，聚合物的吸附率為30~80%（聚合物質量/聚合物質量與碳納米管質量之和）；

（3）：吸附結束后，將溫度升高至50～80℃，以10²?r/min~10⁶?r/min速度離心0.1～8小時，在容器底部得到碳納米管自組裝體；碳納米管自組裝體管束長度為25~40μm，直徑為3~6μm。

本發明中，步驟（1）中所述碳納米管為電弧放電、化學氣相沉淀、模板法、太陽能法或激光蒸發法中的任一種制備的多壁碳納米管或以其任意比例混合的混合物。碳納米管的長度為5~100μm，直徑為5~25nm。

本發明中，步驟（2）中所述強氧化性酸為1～90％重量酸濃度硝酸、1～98％重量酸濃度硫酸、1∕100～100∕1摩爾比硝酸和硫酸混合溶液中任一種或其多種組合。

本發明中，步驟（2）所述的聚合物包括：羥丙基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素或聚乙烯醇中任一種。聚合物的分子量為1×10³~1×10⁵。

本發明提出的通過調溫引導聚合物修飾碳納米管在水中自組裝的方法，具體步驟如下：

（1）：將碳納米管0.1～10g和0.1～50g聚合物加入到25～2.5×10³ml分散劑中，超聲波分散0.1～24小時，于35～45℃攪拌1～72小時。吸附結束后以10²?r/min~10⁶?r/min速度離心0.1～8小時，底部沉淀經去離子水稀釋并通過超聲波分散后，再次離心分離，反復5～20次，制得聚合物修飾的碳納米管，聚合物的吸附率為5~60%；