稳定碳纳米管分散体的制备方法

1.本发明涉及碳纳米管分散体制备，具体涉及一种稳定碳纳米管分散体的制备方法。


背景技术：

2.碳纳米管(cnts)拥有特殊的内部结构，具有轻质、高强度、高耐热性、高比表面积等特殊性能，远远优于其他纤维，被认为是未来的“超级纤维”。碳纳米管能改善水泥基复合材料的强度和韧性，显著提高其耐久性，将分散良好的cnts与水泥基体结合不仅能赋予水泥基复合材料导电导热、电磁屏蔽、压电等诸多新型功能性性能，还可以为新一代的结构复合材料和功能复合材料提供新的发展空间。但碳纳米管水性分散体在水泥碱性基体内分散差、易团聚的问题是制约纳米材料高效强化水泥基材料性能的根本原因。
3.目前，国内外许多学者针对碳纳米管的分散和二次团聚问题进行了相关研究，其中最常用的分散方法是采用表面活性剂和超声波分散相结合的技术，该方法操作相对简单，但其分散效果及其稳定性不足。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提供一种稳定碳纳米管分散体，解决现有碳纳米管分散体分散效果不好，稳定性不足的问题。
5.技术方案：本发明所述的稳定碳纳米管分散体的制备方法，包括如下步骤：
6.(1)将表面活性剂和去离子水混合搅拌均匀；
7.(2)碳纳米管加入步骤(1)的混合溶液中搅拌均匀并进行超声分散；
8.(3)将超声分散后的碳纳米管水性分散液进行冷冻处理，待水性分散体完全冷冻后进行破碎，即碳纳米管分散体。
9.优选的是，所述步骤(1)中表面活性剂为n含量为12～13％的聚乙烯吡咯烷酮。
10.所述步骤(1)搅拌采用磁力搅拌器搅拌，搅拌时间为150s～180s。
11.所述步骤(2)中的碳纳米管直径为20nm～40nm，长度为0.5um～15um，磁力搅拌器搅拌150s～180s。
12.所述步骤(3)采用使用超声波分散器进行水浴分散，温度20℃～30℃，时间为30min，超声功率为100％。
13.所述步骤(3)进行低温冷冻处理的温度为-15℃～-10℃。
14.保证分散性，所述步骤(3)破碎得到的是冰包裹的颗粒，颗粒尺寸小于0.8mm。
15.以重量份计，，以重量份计，加入的碳纳米管1份、表面活性剂1份、去离子水98份。
16.技术原理：
17.本发明采用表面活性剂、超声波分散、冷冻破碎相结合，得到缓释纳米颗粒，缓释纳米颗粒为冰包裹纳米颗粒，随着冰的逐渐融化，缓慢逐步释放，可以避免因瞬时纳米材料浓度过大导致其在水泥基体内发生团聚的问题。固态载体尺度为近毫米级，较纳米尺度材
料的分散性更加优异，可以保证所负载的纳米材料随搅拌过程均匀分散在水泥基体内部，解决纳米材料在水泥基材料中分散不均匀的问题。此外，纳米材料的缓慢释放过程处于低温环境，降低了纳米材料的热运动，从而避免纳米材料的二次团聚。
18.有益效果：本发明的缓释纳米颗粒可以免因瞬时纳米材料浓度过大导致其在水泥基体内发生团聚的问题，分散效果好，稳定度高，本发明不使用腐蚀性浓酸对碳纳米管进行预处理，既不会对碳纳米管的结构产生一定程度的损伤，也不会产生废酸废水等二次污染物，工艺简单，操作简便；本发明较水性分散体相比，该分散体分散性好、稳定度高，可以有效避免对碳纳米管造成损伤、产生废水、废酸等污染物，对环境要求较低。
附图说明
19.图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
20.实施例1
21.稳定碳纳米管分散体的制备，首先按重量份数选取碳纳米管1份、表面活性剂1份、去离子水98份。
22.取表面活性剂加入去离子水中磁力搅拌150s～180s，然后取碳纳米管加入表面活性剂已完全溶解的溶液中磁力搅拌150s～180s；将搅拌完全的碳纳米管水溶液进行水浴超声分散30min，温度20℃～30℃，将超声分散后的碳纳米管水性分散液进行冷冻处理，待水性分散体完全冷冻后进行破碎，即碳纳米管分散体，碳纳米管直径为20nm～40nm，长度为0.5um～15um，磁力搅拌器搅拌150s～180s，低温冷冻处理的温度为-15℃～-10℃，破碎得到的颗粒尺寸小于0.8mm，破碎得到的是冰包裹的颗粒。
23.对比例1
24.稳定碳纳米管分散体的制备，首先按重量份数计，包括以下组分：
25.碳纳米管1份、表面活性剂1份、去离子水98份。
26.取表面活性剂加入去离子水中磁力搅拌150s～180s，然后取碳纳米管加入表面活性剂已完全溶解的溶液中磁力搅拌150s～180s；将搅拌完全的碳纳米管水溶液进行超声分散30min；将超声分散后的碳纳米管水性分散液进行冷冻处理，待水性分散体完全冷冻后，将其破碎成尺寸小于1mm的微小颗粒，即碳纳米管固态分散体。
27.实施例1和对比例1在常温20℃的模拟水泥孔溶液碱性环境(ph＝13)下静置10分钟、30分钟和60分钟后取悬浮液进行分散体粒度试验测试，测试结果分别如表1。
28.实施例1和对比例1在常温20℃的模拟碱性环境(ph＝13)下静置1分钟、10分钟、20分钟、30分钟、40分钟、50分钟和60分钟后取悬浮液进行紫外可见分光光度计测试，测试结果分别如表2。
29.表1模拟水泥孔溶液碱性环境下静置悬浮液的平均粒径和比表面积
[0030][0031]
表2模拟水泥孔溶液碱性环境下静置悬浮液的紫外光吸收率
[0032][0033]
表1中比较了实施例1和对比例1不同静置时间的悬浮液中的颗粒尺寸和比表面积。与对比例1相比，实施例1中的冰颗粒释放的碳纳米管的平均尺寸和比表面积几乎是对比例1中直接分散在水中的碳纳米管的一半。这说明实施例1中的冰颗粒释放的碳纳米管聚集尺寸小于对比例1中直接分散在水中的碳纳米管聚集尺寸。团聚的cnts的颗粒大小应该大于分散良好的cnts的颗粒大小，因此，上述测试结果证实了在模拟水泥孔溶液碱性环境中，实施例1中的冰颗粒释放的碳纳米管分散性和稳定性远好于对比例1中直接分散在水中的碳纳米管。
[0034]
表2中比较了实施例1和对比例1不同静置时间的悬浮液中的紫外光吸收率。与对比例1相比，实施例1中的冰颗粒释放的碳纳米管的紫外光吸收率均高于对比例1中直接分散在水中的碳纳米管的30％～40％。根据朗伯-比尔定律，较高的紫外吸收率表明暴露在悬浮液中的碳纳米管的表面积较大，代表碳纳米管的更好分散性。因此，上述测试结果证实了在模拟水泥孔溶液碱性环境中，实施例1中的冰颗粒释放的碳纳米管分散性和稳定性远好于对比例1中直接分散在水中的碳纳米管。
[0035]
根据以上所有测试结果分析，有三个主要原因导致了碳纳米管分散程度的提高。首先，与碳纳米管水性分散体相比，机械搅拌过程中，微尺度冰颗粒更容易在混合料中均匀分布，因此可以增大实施例1中碳纳米管之间的初始距离，这有助于避免由于碳纳米管过度集中而导致的体积立即团聚。其次,实施例1中的碳纳米管在冰颗粒的融冰过程中缓慢释放,这有利于缓解碳纳米管的二次团聚。第三，实施例1的悬浮液的温度远低于对比例1的悬浮液，因此冰释放的cnts的运动速度比直接分散在水中的cnts慢，从而降低了相邻cnts之间的接触可能性，降低了cnts的团聚速度。通过这三种方式，实施例1的分散性和稳定性远好于对比例1中直接分散在水中的碳纳米管。