一种卤苯功能化改性碳纳米管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碳纳米管表面修饰的改性方法，属于纳米材料表面改性领域。
【背景技术】
[0002]碳纳米管因为优良的力学性能，导热性，化学、储能及导电性能等，被越来越多的用来作为聚合物的增强或多功能填充材料。碳纳米管作为聚合物填料只有当其均匀分散在聚合物基体中才能有效的起到增强或耐热等作用。由于碳纳米管具有较高的比表面积而极易团聚，在聚合物基体中很难较好的分散，二者形成的界面相互作用较弱，致使其在复合材料中难以发挥预期效果。因此，如何将碳纳米管均匀地分散到树脂基体中，并且使碳纳米管和基体材料充分结合，最大程度的减小不相容性造成的缺陷点，以达到有效的载荷应力传递、防止基体与碳纳米管间的滑移以及热量的有效均匀传递等成为研宄的主要问题。
【发明内容】
[0003]为了解决现有碳纳米管比表面积大而极易团聚，在聚合物基体中很难较好的分散，二者形成的界面相互作用较弱，致使其在复合材料中难以发挥预期效果的技术问题，本发明提供一种碳纳米管表面功能化改性的方法.。
[0004]本发明的技术解决方案如下:
[0005]一种卤苯功能化改性碳纳米管的制备方法，其特殊之处在于:该卤苯功能化改性碳纳米管制备包括以下步骤:
[0006]I】氧化碳纳米管的制备
[0007]将碳纳米管、强氧化剂按3:5?32的质量比加入反应容器中，在搅拌条件下进行反应，反应温度50?90°C，反应时间2?12小时；反应完成后，将反应液稀释，真空抽滤并用去离子水多次洗涤直至滤液呈中性，经真空干燥得到干燥的氧化碳纳米管；
[0008]2】酰基化碳纳米管的制备
[0009]将干燥的氧化碳纳米管、酰化剂、酸吸收剂及溶剂按一定质量比加入到反应容器中，在搅拌条件下进行避光反应，反应温度为30?80°C，反应时间为2.5?24小时；反应完毕后，对反应产物真空抽滤并用溶剂反复洗涤，经真空干燥后，得到干燥的酰基化碳纳米管，
[0010]3】卤苯功能化碳纳米管的制备
[0011]将酰基化碳纳米管、卤代苯、催化剂及溶剂按一定质量比加入到反应容器中，在搅拌条件下进行傅克酰基化反应，反应温度为40?80°C，反应时间为I?24小时；反应完毕后，将反应液真空抽滤并用溶剂和去离子水反复洗涤，经真空干燥后，得到干燥的卤苯功能化碳纳米管。
[0012]以上为本发明的基本方案，基于该基本方案，本发明还可以做出如下优化。
[0013]上述步骤I】所用的碳纳米管为电弧放电、模板法、催化热解法或激光蒸发方法制备的单壁或者多壁碳纳米管，所用的强氧化剂为浓硫酸、浓硝酸、浓硫酸/浓硝酸任意比混合酸及浓硫酸/过氧化氢任一比混合酸中的一种。
[0014]上述步骤2】所用的酰化剂是二氯亚砜、三氯化磷、五氯化磷、草酰氯、三溴化磷中的一种，所用的酸吸收剂是吡啶、三乙胺、4-二甲氨基吡啶中的一种，所用的溶剂是二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、硝基甲烷中任一种以及相互之间任一比的混合溶剂。
[0015]上述步骤3】中所用的卤代苯是氟苯或氯苯，所用的催化剂是无水三氯化铝或无水三氯化铁，所用的溶剂为石油醚、四氯化碳、硝基苯乙腈、1，2-二氯乙烷中的一种以及相互之间任一比的混合溶剂。
[0016]上述的方法制备的卤苯功能化碳纳米管。
[0017]本发明具有如下优点:
[0018]1.本发明所使用单体均为大批量市售化工产品，不需要制备、提纯单体，廉价易得。
[0019]2.本发明采用傅克酰基化反应制备卤苯功能化碳纳米管，可通过控制氧化碳纳米管过程中氧化剂的用量及氧化处理时间来控制碳纳米管上羧基的引入量，从而控制碳纳米管上接枝对卤苯酮结构的数量，通过改变卤苯单体的种类，得到多种卤苯功能化的碳纳米管，过程控制较易。
[0020]3.本发明采用傅克酰基化反应在碳纳米管上引入对卤苯酮结构，可采用“Graftedto”和“Grafted from”的接枝方法，通过芳香亲核取代反应，用于制备碳纳米管/聚合物纳米复合材料，该方法制备的纳米复合材料中碳纳米管与聚合物之间共价键结合，且碳纳米管在聚合物中呈现均匀分布。该方法有利于提高纳米复合材料中有机-无机相之间的分散性及界面相容性。
[0021]4.本发明所制备的改性碳纳米管在NMP、DMF等有机溶剂中具有很好的溶解性，通过原位聚合及原位复合的方法使碳纳米管很好的分散在树脂基体中，可用于制备高性能纳米复合材料，高强度膜材料及高性能纤维；由于其具有很好的溶解性，还可通过静电纺丝制备超细纤维及无纺布。因此该发明制备的表面功能化改性碳纳米管可应用于塑料、纤维改性及静电纺丝领域。
[0022]5.本发明采用常压分步制备卤苯功能化碳纳米管，其方法简单、成本低、工艺稳定、广品收率尚，可达90%以上。
【附图说明】
[0023]图1为制备卤苯功能化碳纳米管的反应方程式。
[0024]图2为氟苯功能化碳纳米管的红外光谱图。
[0025]图3为氟苯功能化碳纳米管的热失重分析图。
【具体实施方式】
[0026]下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明包括范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整，其中所述原料份数除特殊说明夕卜，均为重量份数。
[0027]实施例1、
[0028](I)氧化多壁碳纳米管的制备:
[0029]将多壁碳纳米管30份，浓硫酸320份，加入到带有搅拌器、温度计的反应器中，在温度90°C反应2小时；将反应液缓慢倒入1000份去离子水中，真空抽滤并用去离子水多次洗涤，直至滤过液显中性。将得到的氧化多壁碳纳米管，置于120°C真空烘箱中干燥24小时后得到干燥的氧化多壁碳纳米管。
[0030](2)酰基化多壁碳纳米管的制备:
[0031]将干燥的氧化多壁碳纳米管30份，二氯亚砜100份，吡啶4份，无水硝基甲烷160份，加入到带有搅拌器、温度计和冷凝管的反应器中，在温度80°C避光反应2.5小时；真空抽滤并用无水硝基甲烷反复洗涤，在70°C真空烘箱中干燥10小时得到干燥的酰基化多壁碳纳米管。
[0032](3)卤苯功能化多壁碳纳米管的制备:
[0033]将酰基化多壁碳纳米管30份，氟苯20份，无水三氯化铝40份，无水石油醚300份，加入到带有搅拌器、温度计和冷凝管的反应器中，在温度80°C反应I小时；将反应液真空抽滤并用石油醚和去离子水反复洗涤，在100°C真空烘箱中干燥20小时得到干燥的氟苯功能化多壁碳纳米管。
[0034]实施例2、
[0035](I)氧化单壁碳纳米管的制备:
[0036]将单壁碳纳米管30份，浓硝酸160份，加入到带有搅拌器、温度计的反应器中，在温度50°C反应12小时；将反应液缓慢倒入400份去离子水中，真空抽滤并用去离子水多次洗涤，直至滤过液显中性。将得到的氧化单壁碳纳米管，置于120°C真空烘箱中干燥24小时后得到干燥的氧化单壁碳纳米管。
[0037](2)酰基化单壁碳纳米管的制备:
[0038]将干燥的氧化单壁碳纳米管30份，五氯化磷20份，三乙胺I份，无水二氯甲烷40份，加入到带有搅拌器、温度计和冷凝管的反应器中，在温度30°C避光反应24小时；真空抽滤并用无水二氯甲烷反复洗涤，在70°C真空烘箱中干燥10小时得到干燥的酰基化单壁碳纳米管。
[0039](3)卤苯功能化单壁碳纳米管的制备:
[0040]将酰基化单壁碳纳米管30份，氯苯5份，无水三氯化铁10份，无水二硫化碳100份，加入到带有搅拌器、温度计和冷凝管的反应器中，在温度40°C反应24小时；将反应液真空抽滤并用二硫化碳和去离子水反复洗涤，在100°C真空烘箱中干燥20小时得到干燥的氯苯功能化单壁碳纳米管。
[0041]实施例3、
[0042](I)氧化单壁碳纳米管的制备:
[0043]将单壁碳纳米管30份，浓硫酸90份，浓硝酸30份加入到带有搅拌器、温度计的反应器中，在温度60°C反应5小时；将反应液缓慢倒入300份去离子水中，真空抽滤并用去离子水多次洗涤，直至滤过液显中性。将得到的氧化单壁碳纳米管，置于120°C真空烘箱中干燥24小时后得到干燥的氧化单壁碳纳米管。
[0044](2)酰基化单壁碳纳米管的制备:
[0045]将干燥的氧化单壁碳纳米管30份，三氯化磷70份，4- 二甲氨基吡啶2.5份，无水三氯甲烷100份，加入到带有搅拌器、温度计和冷凝管的反应器中，在温度50°C避光反应14小时；真空抽滤并用无水三氯甲烷反复洗涤，在70°C真空烘箱中干燥10小时得到干燥的酰基化单壁碳纳米管。
[0046](3)卤苯功能化单壁碳纳米管的制备:
[0047]将酰基化单壁碳纳米管30份，氟苯10份，无水三氯化铝3