[發(fā)明專利]一種易于分散的碳納米管防靜電材料的制備方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201410181768.3
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN105016322A
• 公開（公告）日: 2015-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫君同;曹衛(wèi)宇;周興貴
• 申請（專利權(quán)）人: 上海君江科技有限公司
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y40/00;C09D163/00;C09D5/24
• 代理公司: 上海華工專利事務(wù)所(普通合伙) 31104
• 代理人: 繆利明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種易于分散的碳納米管防靜電材料的制備方法。本發(fā)明以鐵族催化劑包覆于載體表面，定向生長碳納米管，再將載體溶解，獲得易于分散的純的碳納米管抗靜電材料，制備獲得的碳納米管具有優(yōu)良的抗靜電性能和廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

背景技術(shù)

碳納米管由石墨原子單層繞同軸纏繞而成或由單層石墨圓筒沿同軸層層套構(gòu)而成的管狀物。其直徑一般在一到幾十個納米之間，長度則遠(yuǎn)大于其直徑。

碳納米管作為一維納米材料，重量輕，碳原子相互連接成六邊形結(jié)構(gòu)，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入，其廣闊的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來。其中利用碳納米管的導(dǎo)電性質(zhì)，可廣泛應(yīng)用于各類材料的抗靜電領(lǐng)域。

在碳納米管中的碳原子由于P電子形成大范圍的離域π鍵，共軛效應(yīng)顯著，因而碳納米管具有特殊的電學(xué)性質(zhì)。碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。理論預(yù)測其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)CNTs的管徑大于6nm時，導(dǎo)電性能下降；當(dāng)管徑小于6nm時，CNTs可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。碳納米管在特種電性能領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。

碳納米管的直徑可在幾個埃()至幾個納米之間變化，同時納米碳管的長度為其直徑的十倍至千倍。將碳納米管分散在各類材料中后，可以充分發(fā)揮空間導(dǎo)電優(yōu)勢，大幅度減少使用量，大幅度降低材料防靜電成本，不影響材料本身的外觀特性和材料力學(xué)性能。

納米碳管制備方法綜述：

納米碳管自1991年首次合成得到以來，由于碳納米管尤其是單筆納米管具有獨特的性能，汝高強度、儲氫、導(dǎo)電性、場電子發(fā)射及高比表面積而受到格外的關(guān)注，在先進復(fù)合材料、平板顯示器、燃料電池、鋰電池和超級電容方面有潛在的巨大用途。雖然納米管已經(jīng)部分開始商業(yè)化生產(chǎn)，但是迄今為止還無法大批量連續(xù)生產(chǎn)。

目前常用的碳納米管制備方法主要有：電弧放電法、激光燒蝕法、化學(xué)氣相沉積法(碳?xì)錃怏w熱解法)、固相熱解法、輝光放電法、氣體燃燒法以及聚合反應(yīng)合成法等。

電弧放電法：1991年日本物理學(xué)家飯島澄男從電弧放電法生產(chǎn)的碳纖維中首次發(fā)現(xiàn)碳納米管。電弧放電法的具體過程是：將石墨電極置于充滿氦氣或氬氣的反應(yīng)容器中，在兩極之間激發(fā)出電弧，此時溫度可以達(dá)到4000度左右。在這種條件下，石墨會蒸發(fā)，生成的產(chǎn)物有富勒烯(C60)、無定型碳和單壁或多壁的碳納米管。通過控制催化劑和容器中的氫氣含量，可以調(diào)節(jié)幾種產(chǎn)物的相對產(chǎn)量。使用這一方法制備碳納米管技術(shù)上比較簡單，但是生成的碳納米管與C60等產(chǎn)物混雜在一起，很難得到純度較高的碳納米管，并且得到的往往都是多層碳納米管，而實際研究中人們往往需要的是單層的碳納米管。此外該方法反應(yīng)消耗能量太大。近年來有些研究人員發(fā)現(xiàn)，如果采用熔融的氯化鋰作為碳納米管制備陽極，可以有效地降低反應(yīng)中消耗的能量，產(chǎn)物純化也比較容易。近年來發(fā)展出了化學(xué)氣相沉積法，或稱為碳?xì)錃怏w熱解法，在一定程度上克服了電弧放電法的缺陷。這種方法是讓氣態(tài)烴通過附著有催化劑微粒的模板，在800～1200度的條件下，氣態(tài)烴可以分解生成碳納米管。這種方法突出的優(yōu)點是殘余反應(yīng)物為氣體，可以離開反應(yīng)體系，得到純度比較高的碳納米管，同時溫度亦不需要很高，相對而言節(jié)省了能量。但是制得的碳納米管管徑不整齊，形狀不規(guī)則，并且在制備過程中必須要用到催化劑。目前這種方法的主要研究方向是希望通過控制模板上催化劑的排列方式來控制生成的碳納米管的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)取得了一定進展。

激光燒蝕法：激光燒蝕法具體過程是在一長條石英管中間放置一根金屬催化劑/石墨混合的石墨靶，該管則置于一加熱爐內(nèi)。當(dāng)爐溫升至一定溫度時，將惰性氣體沖入管內(nèi)，并將一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成氣態(tài)碳，這些氣態(tài)碳和催化劑粒子被氣流從高溫區(qū)帶向低溫區(qū)時，在催化劑的作用下生長成CNTs。

固相熱解法：固相熱解法是一種用常規(guī)含碳亞穩(wěn)固體在高溫下熱解生長碳納米管的新方法，這種方法過程比較穩(wěn)定，不需要催化劑，并且是原位生長。但受到原料的限制，生產(chǎn)不能規(guī)模化和連續(xù)化。

離子或激光濺射法：此方法雖易于連續(xù)生產(chǎn)，但由于設(shè)備的原因限制了它的規(guī)模。

聚合反應(yīng)合成法：聚合反應(yīng)合成法一般指利用模板復(fù)制擴增的方法。碳納米管的一般制備過程與有機合成反應(yīng)類似，其副反應(yīng)復(fù)雜多樣，很難保證同一爐碳納米管均為扶手椅式納米管或鋸齒形納米管。