[發明專利]一種離子液體改性碳納米管制備復合材料的方法

在審

• 申請號: 201410690450.8
• 申請日: 2014-11-25
• 公開（公告）號: CN104479170A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 趙麗萍
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C08K9/04
• 分類號: C08K9/04;C08K7/00;C08L51/06;C08L51/00
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

技術領域

本發明涉及碳納米管分散和碳納米管復合材料領域，尤其涉及一種具有反應性的離子液體改性、均勻分散碳納米管并制備高含量碳納米管復合材料的方法。

背景技術

碳納米管具有優異的電學、力學性能和巨大的長徑比，是保持聚合物基體的柔性、易加工等性能，同時提高材料導電性能的理想填料。實現理想目標性能的前提是碳納米管在保持本身結構完整和優異性能的同時，在聚合物基體中實現均勻分散并具備良好的界面粘結。然而碳納米管間強烈的相互作用、碳納米管和碳納米管間的相互纏繞以及碳納米管表面與高分子材料的非相容性導致碳納米管很難均勻地分散在高分子基體中。

2003年Fukushima等研究發現離子液體與單壁碳納米管之間具有特殊的陽離子-π相互作用，因而能對碳納米管表面實施包覆、改性。離子液體與碳納米管的相互作用為制備碳納米管復合材料開辟了新領域和創造了新的可能性。然而這一方法也存在明顯缺陷：一是離子液體與絕大多數普通高分子沒有很好的相容性，使聚合物基體的選擇大受局限，往往只與某一種聚合物相容，而與其他聚合物相容性差，獲得的復合材料性能大幅度降低；二是雖然離子液體與碳納米管之間作用力較強，但離子液體與聚合物基體之間是范德華力等較弱的物理作用力，在實際使用環境中離子液體會發生遷移滲出(bleeding)現象，從而降低材料的結構和性能。

經檢索，公開號為CN103146231A的中國發明專利中，陳廣新等人首先將含有雙鍵的離子液體包覆在碳納米管表面，再通過原位聚合的方式得到聚離子液體包覆的碳納米管。這種方法通過離子液體陰離子的置換，實現碳納米管表面親水、疏水性質的調節；另外，大分子的聚離子液體可望解決小分子離子液體滲漏的問題。不過這種聚離子液體方法改性的碳納米管表面，仍然受離子液體與基體材料相容性差的局限，作為填料添加到基體材料中以后的相容性到底如何，用于制備復合材料是否具備普適性，尚未可知。到目前為止，還沒有任何關于利用離子液體修飾碳納米管分散在通用聚合物體系中制備納米復合材料的報道。

因此，本領域的技術人員致力于開發一種簡單有效的方法來制備高含量碳納米管復合材料，使碳納米管在聚合物基體中分散均勻，具有強的界面結合力和優良的結構、性能穩定性。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種簡單有效的方法，制備碳納米管在聚合物基體中分散均勻，界面結合力強，結構、性能穩定性好的復合材料。

為實現上述目的，本發明提供了一種利用反應性離子液體對碳納米管進行有效改性而不破壞其共軛結構的方法，通過離子液體分子結構中的反應性基團與聚合物基體中的反應性基團進行化學反應，該方法主要包括以下步驟：

步驟一、采用離子液體對碳納米管進行改性包覆，其中，離子液體包括羥基，胺基，環氧基團，馬來酸酐基團中的一種或幾種反應性基團；改性包覆的方法包括機械研磨法、超聲波分散法或者簡單混合法；

步驟二、離子液體的反應性基團與聚合物的反應性基團進行化學反應和混合，其中，化學反應為離子液體在與聚合物的熔融共混條件下進行，共混溫度參考聚合物的熔融溫度以及其常規熔融加工溫度；化學反應在溶液中、合適的溫度和催化劑條件下進行，反應條件的依據為離子液體的反應性基團與聚合物的反應性基團，按照二者反應性基團的常規化學反應條件進行，比如帶羧基的離子液體與帶羧基的聚合物，參照常規羧合反應的反應條件進行；在溶液中進行的化學反應，可進行超聲波分散處理；

步驟三、根據目標復合材料的碳納米管填充量，計算出經過步驟一處理的離子液體包覆改性的碳納米管的所需質量，與聚合物材料混合，以制備不同碳納米管含量的復合材料；離子液體包覆改性的碳納米管與聚合物材料混合的方法采用熔融共混法或者溶液反應方法。

進一步地，離子液體是在接近室溫下呈現液態、完全由陰陽離子所組成的，其中，陽離子與碳納米管表面具有物理吸附作用

優選地，離子液體為咪唑類陽離子。

優選地，碳納米管包括直徑、長度、長徑比各異的單壁碳納米管和多壁碳納米管中的一種或兩種的混合物。

進一步地，步驟一中離子液體與碳納米管的質量比在0.1-100:1。

進一步地，步驟二中離子液體的反應性基團包括羥基、胺基、環氧、羧基、不飽和鍵、馬來酸酐基團等任何具備化學反應活性的基團。

優選地，離子液體的反應性基團選自-NH₂，-OH，-COOH，以及雙鍵。