一种多壁碳纳米管/聚苯乙烯复合材料膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多壁碳纳米管/聚苯乙烯复合材料膜的制备方法，属于复合材料技术领域。
【背景技术】
[0002]碳纳米管(CNTS)具有很多优异的性能，如:高的长径比、大的比表面积、特殊的电学性质以及超强的力学性能。因此，基于碳纳米管的这些优异的性能，将碳纳米管与一些常用的聚合物基体材料复合在一起，当聚合物与碳纳米管之间结合力大且碳纳米管分散的较为均匀，复合材料在外加负载的情况下可将负载有效的转移到碳纳米管上，从而显著提高聚合物基体复合材料的力学性能，电学性能等。很多研究在致力通过提高聚合物与碳纳米管间的作用力使得两者达到良好的分散效果。
[0003]总的来讲，碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法主要有三类:溶液共混法、熔融共混法、和原位聚合法。溶液共混是通过已经分散于某种溶剂中的分散碳纳米管与溶解或悬浮于某种溶剂中的聚合物共混，并借助于机械搅拌或超声分散等方法实现均匀混合。熔融共混与溶液共混有许多相似之处，不同的是聚合物是以熔融状态出现，实现碳纳米管在聚合物中的分散。熔融共混法即将聚合物基体与碳纳米管一起放入混炼机或共混设备中，这种方法主要是利用流体的剪切应力将团聚在一起的碳纳米管分散开来，阻止碳纳米管的进一步团聚。这种方法过程简单，而且可以和挤出机，注塑机，配合使用。是目前一种有希望实现碳纳米管复合材料工业化生产的途径。原位聚合是将表面修饰后含有机物官能团的碳纳米管溶液与聚合物单体混合，加入引发剂引发聚合，并在聚合过程中让碳纳米管通过有机官能团参与聚合过程以实现碳纳米管和聚合物的键合。
[0004]虽然目前对碳纳米管复合材料的研究较为成熟，但是很多碳纳米管复合材料的研究仍然停留在实验室阶段，很难实现工业化生产，究其原因主要有两点:(1)由于碳纳米管较大的长径比、高的比表面能、几乎不溶于任何溶剂，使得碳纳米管在聚合物基体中很难分散均匀，极易团聚在一起，因此不能有效的提高复合材料的各种性能。聚合物与无机小分子碳纳米管的结合，若不对碳纳米管进行表面改性，那么与聚合物基体的界面结合力会很差，在外加负载的作用下，碳纳米管很容易从基体中脱落，负载不能有效的转移到碳纳米管上，从而达不到提高力学性能的作用。(2)碳纳米管的取向性。若碳纳米管能在聚合物基体中有一定的取向，则在取向方向上有较好的力学和电学性能。因此，要实现碳纳米管复合材料的工业化应用首先要解决以上两个主要问题。本发明基于溶液共混方法的基础上采用水溶液作为成膜液的方法制备出复合材料膜。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种多壁碳纳米管/聚苯乙烯复合材料膜的制备方法。
[0006]本发明采用的技术方案是提供一种多壁碳纳米管/聚苯乙烯复合材料膜的制备方法，该方法步骤如下:
[0007]1)复合材料溶液的初步混合:取0.2g聚苯乙烯，多壁碳纳米管(未改性的多壁碳纳米管、羟基化的多壁碳纳米管、羧基化的多壁碳纳米管)按10wt%H种组分含量添加，0.lml的表面活性剂曲拉通X-100将其放入称量瓶中加入10ml的四氢呋喃，将配置好的溶液置于磁旋子搅拌器上控制转速搅拌至聚苯乙烯完全溶解，各组分宏观上混合均匀。
[0008]2)超声充分混合:将初步混合好的溶液在超声波清洗仪中超声2.5h。超声参数设置为:超声功率为100w，超声间隔设置为0.5h。
[0009]3)复合材料成膜:将混合好的复合材料溶液倒入特定的容器中(法兰垫片直径
5.5cm，高度2_)，初步成膜后将法兰垫片放入去离子水中进一步成膜，20min后取出法兰垫片即可得到复合材料膜。
[0010]采用溶液共混水溶液成膜法制备多壁碳纳米管/聚苯乙烯复合膜，所用材料为聚苯乙烯，多壁碳纳米管，羟基化多壁碳纳米管，羧基化多壁碳纳米管，四氢呋喃，曲拉通X-100，法兰垫片，去离子水。
[0011 ] 所述的方法为溶液共混法。
[0012]所述的方法为水溶液成膜法。
[0013]所述的分散多壁碳纳米管方法为控制一定转速的机械搅拌和超声波分散并用。
[0014]所述的制备的复合材料的断面结构由片层变为平整，复合材料的韧性有了一定量的提闻。
[0015]所述的制备的多壁碳纳米管/聚苯乙烯复合膜，通过添加多壁碳纳米管，复合材料的疏水性有了一定的提闻。
[0016]所述的制备的多壁碳纳米管/聚苯乙烯复合膜，多壁碳纳米管的加入可以提高复合材料膜的玻璃化转变温度。
[0017]所述的制备的多壁碳纳米管/聚苯乙烯复合膜，少量多壁碳纳米管的加入可提高复合材料膜的力学性能。
[0018]本发明的有益效果是:
[0019]1)采用溶液共混水溶液成膜法制备复合材料过程中，反应设备投资少，操作简单，成膜率高。虽然四氢呋喃有一定的毒性，但溶剂挥发成膜的过程是在通风厨中进行的，安全系数高。
[0020]2)采用先机械搅拌再对复合材料的溶液进行超声的方式来使多壁碳纳米管在基体中分散均匀，防止其团聚而降低改性效果；
[0021]3)通过添加多壁碳纳米管，有效改变了复合材料的断面结构形态，由片层结构变为平整结构，复合材料的疏水性也有了一定的提高，热稳定性随着多壁碳纳米管的加入逐步提高，适量多壁碳纳米管的加入复合材料的力学性能也得到较好的改善。
【附图说明】
[0022]图1是实施例1制备的聚苯乙烯基体断面结构形态扫描电子显微镜(SEM)图片。
[0023]图2是实施例1制备的羧基化多壁碳纳米管/聚苯乙烯复合材料断面结构扫描电子显微镜(SEM)图片。
【具体实施方式】
[0024]采用溶液共混水溶液成膜法，以聚苯乙烯为基体，多壁碳纳米管(未改性的多壁碳纳米管、羟基化的多壁碳纳米管、羧基化多壁碳纳米管)作为添加剂改性制备复合材料的过程。
[0025]下面结合实施例对本发明作进一步的描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0026]实施例1
[0027]—种多壁碳纳米管/聚苯乙烯复合材料膜的制备方法，该方法步骤如下:
[0028]1)复合材料溶液的初步混合
[0029]复合材料按碳纳米管含量]^1:%、5￥1:%和10wt %三种组分含量，取0.2g聚苯乙烯、多壁碳纳米管(未改性的多壁碳纳米管、羟基化的多壁碳纳米管、羟基化的碳纳米管)0.002g、0.01g、0.02g、0.lml的表面活性剂曲拉通X-100将其放入称量瓶中加入10ml的四氢呋喃，将配置好的溶液置于磁旋子搅拌器上控制转速搅拌至聚苯乙烯完全溶解，各组分宏观上混合均匀。
[0030]2)复合材料溶液超声过程
[0031]将初步混合好的溶液在超声波清洗仪中超声2.5h。超声参数设置为100w，超声间隔设置为0.5h。
[0032]3)复合材料成膜过程
[0033]将混合好的复合材料溶液倒入特定的容器中(法兰垫片直径5.5cm,高度2mm、)，初步成膜后将法兰垫片放入去离子水中进一步成膜，20min后取出法兰垫片即可得到复合材料膜。
[0034]图1是纯聚苯乙烯经液氮脆断后的断面结构示意图，由图可知纯聚苯乙烯的断面是片层结构，属于典型的脆性断裂范畴。图2是羧基化多壁碳纳米管/聚苯乙烯复合材料断面结构示意图，可见复合材料的断面结构变为平整，孔径分布比较均匀，复合材料中碳管的分散性相对较好。
【主权项】
1.一种多壁碳纳米管/聚苯乙烯复合材料膜的制备方法，其特征在于，该方法步骤如下， 1)复合材料溶液的初步混合:取0.2g聚苯乙烯，多壁碳纳米管(未改性的多壁碳纳米管、羟基化的多壁碳纳米管、羧基化的多壁碳纳米管)按10wt%三种组分含量添加，0.lml的表面活性剂曲拉通X-100将其放入称量瓶中加入10ml的四氢呋喃，将配置好的溶液置于磁旋子搅拌器上控制转速搅拌至混合均匀。 2)超声充分混合:将初步混合好的溶液在超声波清洗仪中超声2.5h。超声参数设置为:超声功率为100w，超声间隔设置为0.5h。 3)成膜:将混合好的复合材料溶液倒入特定的容器中(法兰垫片直径5.5cm,高度2mm)，20min后将法兰垫片放入去离子水中成膜，即可得到复合材料膜。2.根据权利要求1所述的一种多壁碳纳米管/聚苯乙烯膜的制备方法，其特征在于，所用材料为聚苯乙烯，未改性的多壁碳纳米管、羟基化的多壁碳纳米管、羧基化的多壁碳纳米管，去离子水，曲拉通X-100，四氢呋喃，法兰垫片。3.根据权利要求1所述的一种多壁碳纳米管/聚苯乙烯膜的制备方法，其特征在于，所述的方法为溶液共混法。4.根据权利要求1所述的一种多壁碳纳米管/聚苯乙烯膜的制备方法，其特征在于，所述的方法采用水溶液成膜。5.根据权利要求1所述的一种多壁碳纳米管/聚苯乙烯膜的制备方法，其特征在于，为将碳纳米管分散均匀防止多壁碳纳米管发生团聚效应，采用先机械搅拌再进行超声分散的方式。6.根据权利要求1所述的一种多壁碳纳米管/聚苯乙烯膜的制备方法，其特征在于，所制备的复合材料的断面结构由片层变为平整，复合材料的韧性有了一定量的提高。7.根据权利要求1所述的一种多壁碳纳米管/聚苯乙烯膜的制备方法，其特征在于，多壁碳纳米管的加入使得复合材料表面疏水性有了一定的提闻。8.根据权利要求1所述的一种多壁碳纳米管/聚苯乙烯膜的制备方法，其特征在于，所制备的复合材料膜，多壁碳纳米管的加入使复合材料的玻璃化转变温度有了一定提高，且随着多壁碳纳米管的加入呈上升趋势。9.根据权利要求1所述的一种多壁碳纳米管/聚苯乙烯膜的制备方法，其特征在于，多壁碳纳米管的加入使得复合材料的力学性能有了一定的提高，拉伸强度曲线呈先上升后下降的趋势。
【专利摘要】本发明涉及溶液共混水溶液成膜法制备聚苯乙烯多壁碳纳米管复合材料的方法。该制备方法包括以下步骤：1.将一定量的聚苯乙烯、各种功能化的多壁碳纳米管及表面活性剂曲拉通加入到盛有一定量四氢呋喃的称量瓶中将其置于磁旋子搅拌器上机械搅拌至聚苯乙烯充分溶解，多壁碳纳米管分散均匀。2.超声：将溶解分散好的复合材料溶液，超声一定的时间至碳纳米管进一步充分分散均匀。3.成膜：将复合材料溶液倒入特定的容器中成膜，一段时间后将容器置于去离子水中充分成膜。本发明的方法具有工艺简单、能耗低、成膜效率高、污染少等优点。
【IPC分类】C08L25/06, C08K9/04, C08K7/00, C08J5/18, C08K3/04
【公开号】CN105399969
【申请号】CN201410467950
【发明人】李广芬, 梁绍磊, 文刚
【申请人】天津工业大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2014年9月15日