[發明專利]一種碳納米管的原位制備方法

有效

• 申請號: 202011378717.1
• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112408363B
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 羅婷;曹丙強;許崇海;肖光春
• 申請（專利權）人: 齊魯工業大學
• 主分類號: C01B32/16
• 分類號: C01B32/16;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 賈波

本發明公開了一種碳納米管的原位制備方法，將碳化硅粉末分散在水中，形成懸浮液；用聚焦后的脈沖激光束輻射上述懸浮液，經一步原位反應形成碳納米管；輻射完成后，將懸浮液離心分離、洗滌、干燥，即得碳納米管。本發明制備方法新穎、簡單，得到的碳納米管純度高，無雜質污染，碳納米管用作陶瓷材料添加劑時可以顯著提高陶瓷材料的抗彎強度和斷裂韌性。

技術領域

本發明涉及一種碳納米管的制備方法，具體涉及一種原料簡單、常溫常壓下原位合成、產品中無金屬殘留安全性高的碳納米管的制備方法。

背景技術

碳納米管是由 sp² 雜化碳原子組成的獨特的一維納米結構，自1991年，日本NEC公司的Sumio Iijima博士發現以來，它們依靠優異的力學、電學和熱學性能，被廣泛關注和應用。研究表明，碳納米管是一種非常堅硬、堅固且機械強度極高的一維納米材料，其剛度能夠達到1 TPa；同時還具有高的比表面積和獨特的電學性能，因此被應用于復合材料的增強和改性。陶瓷材料由于具有非常優異的力學性能、電熱絕緣性能和抗化學蝕變性能而被廣泛應用于機械、化工、生物醫學和航空航天等領域得到廣泛的應用，但是陶瓷材料的塑性變形和導電性能較差。研究發現，在陶瓷材料加入一定量的碳納米管，能夠大幅度提高陶瓷材料的強度和斷裂韌性。

目前，常用的碳納米管的制備方法主要有：電弧放電法、化學氣相沉積法、固相熱解法、輝光放電法、氣體燃燒法等，制備過程復雜，而且需要高溫、特殊氣氛等復雜環境。此外，這些方法所得的碳納米管并不純是碳，因為工藝的原因在生產過程中不可避免的會造成鎳、鉻和其他金屬的殘留，這些殘留的金屬和CNTs對某些水生生物是有毒的，會減緩生物的生長率甚至導致死亡。眾多研究者認為，在還沒有充分了解碳納米管對環境和人類健康的影響之前，應防止其作為大規模生產材料進入到環境中。因此，急需一種簡單、綠色、溫和的碳納米管制備方法。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明提供了一種碳納米管的原位制備方法，該方法以無毒性碳化硅為原料，制備過程簡單快速，無須高溫、高壓和特殊氣氛等復雜環境，所得產品無金屬殘余，更為安全。

本發明通過室溫、常壓即可原位快速制得碳納米管，節省了反應成本與時間。具體技術方案如下：

一種碳納米管的原位制備方法，該方法包括以下步驟：

（1）將碳化硅粉末分散在水中，形成懸浮液；

（2）用聚焦后的脈沖激光束輻射上述懸浮液，經一步原位反應形成碳納米管；

（3）輻射完成后，將懸浮液離心分離、洗滌、干燥，即得碳納米管。

本發明利用激光作用在固體材料表面所瞬間產生的超高溫超高壓環境，實現了碳化硅的快速分解及碳納米管的原位形成。通過控制各種反應條件，例如溶劑、碳化硅顆粒尺寸、懸浮液濃度、輻射方式等條件，使所得碳納米管形貌優異。

進一步的，步驟（1）中，所述碳化硅粉末的粒徑在1-3微米，若粒徑太小難以形成一維碳納米管，若粒徑太大，激光難以將碳化硅全部分解，導致產品中后會有碳化硅殘留。

進一步的，步驟（1）中，碳化硅在水中的濃度要小于等于0.2 mg?mL^-1，否則，濃度太高會使得碳膜沒有足夠的空間卷曲形成納米管，最終無法得到碳納米管。

進一步的，步驟（2）中，使用聚焦后的脈沖激光束輻射懸浮液，脈沖激光束的波長為240-250 nm，激光束能量密度為1.8-2.2 J?pulse^-1?cm^-2，聚焦后激光束光斑尺寸小于0.55 × 0.65 cm²。輻射懸浮液時，脈沖激光束先以5-8 Hz的頻率輻照5-10 min，然后以1-2 Hz的頻率輻照5-10 min。按此方式進行激光輻射，能夠成功使碳化硅原位轉變為碳納米管。