本发明涉及碳纳米管领域，具体涉及一种碳纳米管分散液的制备方法。
背景技术：
碳纳米管具有独特的结构，使得其具有良好的物理化学性质、导电性能和机械性能，因此，受到科学家和企业的青睐。碳纳米管的直径只有数个到数十个纳米，长度则为数微米到毫米量级。试验结果表明，碳纳米管具有优异的力学性能，弹性模量达1tpa(约为钢的5倍)，密度约为钢的1/6，弹性应变却达到钢的60倍；碳纳米管亦具有良好的导电性，加入到高分子材料中，可使该材料的电阻降低三个数量级以上；用碳纳米管来储氢，也已成为研究的热点问题。
但碳纳米管由于纳米尺寸效应和大的长径比，使得它们之间的范德华力非常强，导致其在分散过程中极易团聚和缠绕，最终严重阻碍其优异性能的发挥。另外，碳纳米管表面几乎无活性基团，在水中或者有机溶剂中溶解度很低，严重制约着其应用。而目前，多采用表面改性，引入活性基团，提高它在溶剂中的润湿分散效果，但制备过程往往较复杂，同时改变了碳纳米管本身的性能；另外，也有通过超声、高速剪切和球磨并配合分散剂等手段使其溶于溶剂中，但分散效果也不理想，尤其是只通过超声、剪切处理，碳纳米管的分散只能持续很短的时间。因此想要充分利用碳纳米管本身的优越性能，解决碳纳米管分散性和分散稳定性问题成为研究的重点和关键。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有的碳纳米管分散液中碳纳米管易于团聚、稳 定性差、分散浓度低等缺陷，提供了一种能够获得不易团聚、稳定性好的且分散浓度较高的碳纳米管分散液的制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种高浓度碳纳米管分散液的制备方法，该方法包括：
(1)将碳纳米管与水进行第一接触；
(2)将分散剂分n批次与所述第一接触后的产物进行第二接触，其中，n为2以上的整数；
(3)将所述第二接触所得产物与稳定剂进行混合。
通过本发明提供的碳纳米管分散液的制备方法，可以获得不易团聚、稳定性好的且分散浓度较高的碳纳米管分散液。且该方法工艺简单，清洁而环保。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供一种碳纳米管分散液的制备方法，该方法包括：
(1)将碳纳米管与水进行第一接触；
(2)将分散剂分n批次与所述第一接触后的产物进行第二接触，其中，n为2以上的整数；
(3)将所述第二接触所得产物与稳定剂进行混合。
根据本发明，对所述碳纳米管并无特别的限定，可以采用本领域常规的各种规格的碳纳米管，例如所述碳纳米管的直径为0.4-100nm(优选为5-15nm)，长度为1-50μm(优选为10-20μm)。可以采用单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或多种作为本发明的碳纳米管。
根据本发明，步骤(1)中，将碳纳米管分散于水中，可以获得有所润湿或者完全润湿的碳纳米管。为了能够将碳纳米管充分润湿，以提高后来所得的碳纳米管分散液的稳定性等，优选情况下，相对于100重量份的碳纳米管，所述水的用量为800-2500重量份，优选为1000-2000重量份。
其中，这里的水优选为超纯水(25℃下电阻率达到18mω·cm以上)。除了水以外，还可以加入其它亲水溶剂，只要能够使得所述碳纳米管润湿即可，作为上述亲水性溶剂例如可以为乙醇和丙醇等中的一种或多种。其用量可以是水的用量的2-20重量％。
根据本发明，对所述第一接触的方式并无特别的限定，只要能够实现上述目的即可，例如所述第一接触为研磨混合或搅拌混合的方式，优选采用搅拌混合的方式进行第一接触，其中，所述搅拌混合可以在本领域的公知的各种搅拌装置进行，例如可以在外置搅拌器中进行所述搅拌(转速例如可以为300-600rpm)。当采用搅拌混合的方式进行所述第一接触时，优选采用先向搅拌装置中加入水，边搅拌边加入碳纳米管(碳纳米管的加入时间可以为2-10min)的方式进行第一接触。
优选情况下，所述第一接触的条件包括：温度为20-40℃，时间为20-60min(优选为30-45min)(该时间不包括物料的加入时间)。
根据本发明，步骤(2)中，将分散剂分n批次与所述第一接触后的产物进行第二接触，从而能够很好地实现分散剂对碳纳米管的分散效果。优选情况下，所述分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、聚山梨酯、失水山梨糖醇脂肪酯、纤维素钠、2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物、聚乙二醇、甜菜碱型表面活性剂和季铵盐型阳离子表面活性剂中的一种或多种，更优选为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、纤维素钠、聚乙二醇、甜菜碱型表面活 性剂、2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物和季铵盐型阳离子表面活性剂中的一种或多种，更进一步优选为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和纤维素钠的一种或多种，更优选为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚和十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种。
作为上述烷基酚聚氧乙烯醚优选为壬基酚聚氧乙烯醚和/或辛基酚聚氧乙烯醚。
作为上述脂肪醇聚氧乙烯醚优选为异构十醇聚氧乙烯醚和/或异构十三醇聚氧乙烯醚。
作为上述失水山梨糖醇脂肪酯优选为失水山梨醇单月桂酸酯、失水山梨醇单硬脂酸酯和失水山梨醇单油酸酯中的一种或多种。
作为上述甜菜碱型表面活性剂优选为十二烷基二甲基甜菜碱、月桂酰胺丙基甜菜碱和芥酸酰胺丙基羟磺基甜菜碱中的一种或多种。
作为上述季铵盐型阳离子表面活性剂优选为2,3-环氧丙基三甲基氯化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵和十八烷基三甲基氯化铵的一种或多种。
在本发明的一种优选的实施方式中，优选采用异构十三醇聚氧乙烯醚分散剂作为本发明的分散剂。
在本发明的另一种优选的实施方式中，优选采用十二烷基苯磺酸钠分散剂和异构十三醇聚氧乙烯醚分散剂(其用量的重量比优选为1-3：1)作为本发明的分散剂。
在本发明的另一种优选的实施方式中，优选采用十二烷基苯磺酸钠分散剂和壬基酚聚氧乙烯醚分散剂(其用量的重量比优选为1-3：1)作为本发明的分散剂。
根据本发明，所述分散剂以分批次的方式与所述第一接触后的产物进行接触，从而可以获得稳定性高的、不易于团聚的且分散浓度较高的碳纳米管 分散液，为了能够更为高效地实现这样的目的，优选情况下，步骤(2)中，第n批次与第n-1批次之间的间隔时间为30min-60min。在第n批次与第n-1批次之间的间隔时间为30min-60min时，能够获得稳定性更高、更不易于团聚且分散浓度更高的碳纳米管分散液。
优选情况下，n为3-5的整数，即n为3、4或5。
其中，当n为3时，表示将所述分散剂分3批次与所述第一接触后的产物进行接触，其中，第一次、第二次和第三次的用量重量比优选为1：0.5-1.5：0.2-1，更优选为1：1-1.5：0.5-1。
其中，当n为4时，表示将所述分散剂分4批次与所述第一接触后的产物进行接触，其中，第一次、第二次、第三次和第四次的用量重量比优选为1：0.5-1.5：0.2-1：0.1-0.8，更优选为1：0.5-1：0.2-0.5：0.1-0.4。
其中，当n为5时，表示将所述分散剂分5批次与所述第一接触后的产物进行接触，其中，第一次、第二次、第三次、第四次和第五次的用量重量比优选为1：0.5-1.5：0.2-1：0.1-0.6：0.05-0.4，更优选为1：0.5-1：0.2-0.5：0.1-0.4：0.05-0.2。
其中，每个批次的分散剂的种类可以相同或不同，对此本发明并无特别的限定。
根据本发明，优选情况下，相对于100重量份的碳纳米管，所述分散剂的总用量为10-40重量份，优选为20-30重量份。
根据本发明，对所述第二接触的方式并无特别的限定，例如所述第二接触可以为研磨混合或搅拌混合的方式，优选采用研磨混合的方式进行第二接触，其中，所述研磨混合可以在本领域的公知的各种研磨机上进行，例如可以在砂磨机上进行所述研磨(转速例如可以为800-2500rpm，优选为1000-2000rpm)。当采用研磨混合的方式进行所述第二接触时，优选采用粒径为0.3-1mm的锆球进行研磨。
优选情况下，所述第二接触的条件包括：温度为20-40℃(更优选为30-40℃)，时间为100-200min(优选为150-180min)(该接触时间可以认为是每个批次之间的间隔时间和最后一次分散剂加入后的接触时间的总和，其中，每批次分散剂加入之间的间隔时间一直都处于研磨状态)。
根据本发明，步骤(3)将所述第二接触所得产物与稳定剂进行混合，得到碳纳米管分散液。该步骤(3)通过加入稳定剂以进一步使得所得的碳纳米管分散液保持更好的稳定性，从而长时间内不易于团聚，且可以获得碳纳米管含量较高的分散液。优选地，相对于100重量份的碳纳米管，所述稳定剂的用量为2-20重量份(优选为5-10重量份)。
本发明对所述稳定剂并无特别的限定，可以采用本领域常规的各种稳定剂。优选地，所述稳定剂为阿拉伯胶、纤维素、卡拉胶黄原胶和海藻酸钠中的一种或多种。
根据本发明，步骤(3)中的混合可以本领域常规的各种混合方式进行，例如研磨混合或搅拌混合的方式，优选采用研磨混合的方式进行所述混合，其中，所述研磨混合可以在本领域的公知的各种研磨机上进行，例如可以在砂磨机上进行所述研磨(转速例如可以为800-2500rpm，优选为1000-2000rpm)。当采用研磨混合的方式进行所述第二接触时，优选采用粒径为0.3-1mm的锆球进行研磨。
优选情况下，所述混合的条件包括：温度为20-40℃(例如为30-40℃)，时间为10-60min(例如为20-30min)。
根据本发明的一种优选的实施方式，该碳纳米管分散液的制备方法包括：
(1)将碳纳米管与水进行第一接触，该第一接触为搅拌混合的方式；
(2)将分散剂分n批次加入到第一接触后的产物中以进行第二接触，第二接触为研磨混合的方式，其中，n为3-5的整数；
(3)将稳定剂加入到所述第二接触所得产物中进行混合，从而得到碳纳米管分散液。
该优选实施方式中各个步骤的条件和优选方式如上文中所定义的，在此不再赘述。
根据本发明，本发明的方法能够获得不易团聚、稳定性好的且分散浓度较高的碳纳米管分散液，优选能够获得碳纳米管的浓度为5重量％以上的碳纳米管分散液。该分散液能够在放置90天以上的时间后仍然具有较高的稳定性。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例用于说明本发明的碳纳米管分散液的制备方法。
(1)将2000重量份的水(超纯水，25℃下电阻率达到18mω·cm)加入到外置搅拌器中，然后，在25℃下、以400rpm的速度边搅拌边缓慢加入(约2min内加完)100重量份的碳纳米管(直径为9-11nm，长度为10-15μm，购自比利时nanocyl公司nc7000牌号的多壁碳纳米管)，加毕后继续在25℃下搅拌30min；后将上述混合物加入研磨机中(其腔体中装有0.5mm的锆球，锆球占腔体体积的6/10)
(2)在30℃、1000rpm的研磨速度下，向步骤(1)的研磨机的腔体中加入10重量份的异构十三醇聚氧乙烯醚分散剂(购自国药集团化学试剂有限公司，分析纯，以下同)与步骤(1)所得的产物进行研磨混合，继续研磨45min后，再加入15重量份的异构十三醇聚氧乙烯醚分散剂，继续研磨45min后，再加入5重量份的异构十三醇聚氧乙烯醚分散剂，再继续研磨60min；
(3)在30℃、1000rpm的研磨速度下，将10重量份的阿拉伯胶稳定剂 (购自鼎力胶业股份有限责任公司公司dl-a-i牌号，以下同)加入到上述研磨机的腔体中，以与步骤(2)所得的产物进行混合20min，从而得到碳纳米管分散液。
其中，该碳纳米管分散液中，碳纳米管的含量为5重量％，碳纳米管的粒度d10为196nm，d50为386nm，d90为792nm。
用分散稳定性分析仪(tlab-exp型号)对分散液进行观察，分散稳定性良好，放置90天后，其稳定性指数仅为0.04以下，表明稳定性几乎无变化。
实施例2
本实施例用于说明本发明的碳纳米管分散液的制备方法。
(1)将1429重量份的水(超纯水，25℃下电阻率达到18mω·cm)加入到外置搅拌器中，然后，在25℃下、以400rpm的速度边搅拌边缓慢加入(约15min内加完)100重量份的碳纳米管(直径为9-11nm，长度为10-15μm，为购自比利时nanocyl公司nc7000牌号的多壁碳纳米管)，加毕后继续在25℃下搅拌30min；后将上述混合物加入到研磨机中(其腔体中装有0.4mm的锆球，锆球占腔体体积的6/10)中；
(2)在30℃、1300rpm的研磨速度下，向步骤(1)的研磨机的腔体中加入12重量份的十二烷基苯磺酸钠分散剂(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)与步骤(1)所得的产物进行研磨混合，继续研磨60min后，再加入8重量份的十二烷基苯磺酸钠分散剂，继续研磨60min后，再加入6重量份的异构十三醇聚氧乙烯醚分散剂，再继续研磨30min，再加入4重量份的异构十三醇聚氧乙烯醚分散剂，再继续搅拌30min；
(3)在35℃、2000rpm的搅拌速度下，将8重量份的阿拉伯胶稳定剂加入到上述研磨机的腔体中，以与步骤(2)所得的产物进行混合20min， 从而得到碳纳米管分散液。
其中，该碳纳米管分散液中，碳纳米管的含量为7重量％，碳纳米管的粒度d10为292nm，d50为516nm，d90为870nm。
用分散稳定性分析仪(tlab-exp型号)对分散液进行观察，分散稳定性良好，放置90天后，其稳定性指数仅为0.04以下，表明稳定性几乎无变化。
实施例3
本实施例用于说明本发明的碳纳米管分散液的制备方法。
(1)将1000重量份的水(超纯水，25℃下电阻率达到18mω·cm)加入到外置搅拌器中，然后，在25℃下、以400rpm的速度边搅拌边缓慢加入(约20min内加完)100重量份的碳纳米管(直径为9-11nm，长度为10-15μm，为购自比利时nanocyl公司nc7000牌号的多壁碳纳米管)，加毕后继续在25℃下搅拌45min；后将上述预混物加入到研磨机中(其腔体中装有0.3mm的锆球，锆球占腔体体积的7/10)中；
(2)在30℃、2000rpm的研磨速度下，向步骤(1)的研磨机的腔体中加入12重量份的十二烷基苯磺酸钠分散剂(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)与步骤(1)所得的产物进行接触，继续研磨45min后，再加入8重量份的十二烷基苯磺酸钠分散剂，继续研磨45min后，再加入6重量份的壬基酚聚氧乙烯醚分散剂(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)，再继续搅拌45min，再加入3重量份的壬基酚聚氧乙烯醚分散剂，再继续搅拌30min，再加入1重量份的壬基酚聚氧乙烯醚分散剂，再继续搅拌15min；
(3)在35℃、2000rpm的搅拌速度下，将5重量份的阿拉伯胶稳定剂加入到上述研磨机的腔体中，以与步骤(2)所得的产物进行混合20min，从而得到碳纳米管分散液。
其中，该碳纳米管分散液中，碳纳米管的含量为10重量％，碳纳米管的粒度d10为327nm，d50为769nm，d90为1285nm。
用分散稳定性分析仪(tlab-exp型号)对分散液进行观察，分散稳定性良好，放置75天后，其稳定性指数仅为0.08以下，表明稳定性几乎无变化。
实施例4
根据实施例1所述的方法，不同的是，步骤(2)中，分散剂分2批次加入，即先加入15重量份的异构十三醇聚氧乙烯醚分散剂(购自国药集团化学试剂有限公司，分析纯，以下同)与步骤(1)所得的产物进行研磨混合，继续研磨60min后，再加入15重量份的异构十三醇聚氧乙烯醚分散剂，继续研磨60min；经过三个步骤从而得到碳纳米管分散液。
其中，该碳纳米管分散液中，碳纳米管的含量为5重量％，碳纳米管的粒度d10为302nm，d50为776nm，d90为1366nm。
用分散稳定性分析仪(tlab-exp型号)对分散液进行观察，分散稳定性良好，放置90天后，其稳定性指数越为0.10，表明稳定性具有一定的降低，且分散液中出现了少量的团聚颗粒。
实施例5
根据实施例1所述的方法，不同的是，步骤(2)中，将等量的分散剂分平均分7批次加入，即每次加入4重量份的异构十三醇聚氧乙烯醚分散剂，并在加入后继续研磨20min，经过三个步骤后从而得到碳纳米管分散液。
其中，该碳纳米管分散液中，碳纳米管的含量为5重量％，碳纳米管的粒度d10为334nm，d50为679nm，d90为1303nm。
用分散稳定性分析仪(tlab-exp型号)对分散液进行观察，分散稳定 性良好，放置90天后，其稳定性指数越为0.1，表明稳定性具有一定的降低，且分散液中出现了少量的团聚颗粒。
实施例6
根据实施例1所述的方法，不同的是，步骤(2)中，分散剂各个批次间的间隔时间(研磨时间)为20min，最后一次研磨时间为110min(即总搅拌时间相同)，从而得到碳纳米管分散液。
其中，该碳纳米管分散液中，碳纳米管的含量为5重量％，碳纳米管的粒度d10为406nm，d50为745nm，d90为1383nm。
用分散稳定性分析仪(tlab-exp型号)对分散液进行观察，分散稳定性良好，放置90天后，其稳定性指数约为0.1，表明稳定性具有一定的降低，且分散液中出现了少量的团聚颗粒。
实施例7
根据实施例1所述的方法，不同的是，步骤(2)中，分散剂各个批次间的间隔时间为70min，最后一次搅拌时间为10min(即总搅拌时间相同)，从而得到碳纳米管分散液。
其中，该碳纳米管分散液中，碳纳米管的含量为5重量％，碳纳米管的粒度d10为269nm，d50为565nm，d90为1190nm。
用分散稳定性分析仪(tlab-exp型号)对分散液进行观察，分散稳定性良好，放置90天后，其稳定性指数约为0.1，表明稳定性具有一定的降低，且分散液中出现了少量的团聚颗粒。
对比例1
将异构十三醇聚氧乙烯醚分散剂的水溶液(30重量份的异构十三醇聚氧 乙烯醚分散剂+2000重量份的水(超纯水，25℃下电阻率达到18mω·cm))加入到外置搅拌器中，然后，在25℃下、以400rpm的速度边搅拌边缓慢加入(约2min内加完)100重量份的碳纳米管(直径为9-11nm，长度为10-15μm，为购自比利时nanocyl公司nc7000牌号的多壁碳纳米管)，加毕后继续在25℃下搅拌30min；后将上述混合物加入研磨机中(其腔体中装有0.5mm的锆球，锆球占腔体体积的6/10)，再在30℃、1000rpm的搅拌研磨速度下150min；从而得到碳纳米管分散液。
其中，该碳纳米管分散液中，碳纳米管的含量为5重量％，碳纳米管的粒度d10为1554nm，d50为2914nm，d90为4865nm。
用分散稳定性分析仪(tlab-exp型号)对分散液进行观察，分散稳定性较差，并且在放置10天后其稳定性指数已经超过0.12，且随之放置时间的增加，稳定性指数呈现明显增加趋势，达90天后，其稳定性指数约为0.2，表明稳定性严重降低，且分散液中出现了大量的团聚颗粒。
以上实施例通过控制分散剂的加入方式和加入间隔时间等来控制碳纳米管分散液的分散性能和稳定性能；控制分散剂的分批次数和加入间隔时间可以有效的制备出粒子粒度更小、分布更窄且稳定性更好的碳纳米管分散液。
以上实施例和对比例中所得的碳纳米管分散液中的碳纳米管的粒度是通过la-950v2日本horiba粒度仪测定，碳纳米管的粒度d50和粒度d90可以基本表示其平均粒径和粒径分布，当d90控制在1300nm以下，特别是1000nm以下，则可以大大提高其分散性能和稳定性能，从而可获得稳定性好且浓度较高的碳纳米管分散液，同时亦可以提高所得的碳纳米管分散液在其他基质中的分散性能以及最终产品的流平性、冲击强度等。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方 案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。