球状碳纳米管团聚体及其制备方法和用途

球状碳纳米管团聚体及其制备方法和用途
【专利摘要】一种球状碳纳米管团聚体及其制备方法和用途，球状碳纳米管团聚体是由若干个球状碳纳米管基团在旋转设备中经旋转团聚而成，该团聚体的粒径为3～50微米，形状为球形或棒形，球状碳纳米管基团是将碳纳米管粉体通过旋转聚集成有序交织的基团而形成，基团的粒径为0.1～3微米，形状为球形或棒形。制备方法包括：将碳纳米管与研磨介质置于研磨机中研磨，形成由多个粒径为0.1～3微米，形状为球形或棒形的碳纳米管基团构成的粉体；将制备的含碳纳米管基团的粉体置于无研磨介质的研磨机中研磨，形成由多个粒径为3～50微米，形状为球状的碳纳米管团聚体构成的粉体。该球状碳纳米管团聚体可作为锂电池、高分子材料、涂料、油漆的导电剂或导热剂。
【专利说明】球状碳纳米管团聚体及其制备方法和用途
【【技术领域】】
[0001]本发明涉及碳纳米管，特别是涉及一种球状碳纳米管团聚体及其制备方法和用途。
【【背景技术】】
[0002]碳纳米管是优秀的导电剂，其尺寸一般为2~100纳米，长度可达10~50微米。碳纳米管不但能够在导电网络中起到导线的作用，而且还具有双电层效应及超级电容器的高倍率特性。同时，碳纳米管良好的导热性能有利于电池充放电时的散热，减少电池的极化，提高电池的高低温性能，延长电池的寿命。在高分子材料和涂料、油漆中添加炭黑量的1/10的碳纳米管，即可达到炭黑的导电状态。
[0003]Sheem等人(Journal of Power Sources2006, 158，1425-1430)对比了多壁碳纳米管和传统的导电炭黑对锂离子电池的影响，结果发现，无论在电容量和循环次数上，多壁碳纳米管都明显的优于导电炭黑。然而，由于碳纳米管相互之间较强的范德华力，使得碳纳米管之间相互缠绕在一起，难以均匀地分散到材料中，从而影响了碳纳米管本身物理性能的发挥。因此，如何制备易于分散的碳纳米管产品成为限制其产业化应用的一个主要障碍。目前，解决碳纳米管的分散问题主要有化学和物理两种方法。其中，化学方法多是通过强酸氧化。由于强酸会破坏碳纳米管本身结构，使碳纳米管的性能减弱或失效，且由于操作复杂，易对环境造成污染等因素，使之难以实现工业化生产。目前高分子材料、涂料、油漆等材料主要应用此类碳纳米管。物理方法则是通过砂磨机进行湿法研磨处理，制备成导电浆料，虽然分散效果较好，但其中添加的分散剂的量大影响导电性能的发挥，使之电阻变大，并且保质期短，目前锂电池生产主要应用这类产品。
【
【发明内容】
】
[0004]本发明旨在解决上述问题，而提供一种制备过程简单，具有优良的分散性能，可直接添加到基体材料中而无需添加分散剂及溶剂，性质稳定均一，易形成导电网络的球状碳纳米管团聚体。
[0005]本发明的目的还在于提供一种球状碳纳米管团聚体的制备方法。
[0006]本发明的目的还在于提供所述球状碳纳米管团聚体的用途。
[0007]为实现上述目的，本发明提供一种球状碳纳米管团聚体，该球状碳纳米管团聚体是由若干个球状碳纳米管基团在旋转设备中经旋转团聚而成，该团聚体的粒径为3~50微米，形状为球形或棒形，所述球状碳纳米管基团是将碳纳米管粉体置于旋转设备中，通过旋转使无序缠绕的碳纳米管聚集成有序交织的基团而形成，所述基团的粒径为0.1~3微米，形状为球形或棒形。
[0008]所述球形碳纳米管团聚体及球形碳纳米管基团为圆球形或椭球形。
[0009]用于形成球状碳纳米管基团的旋转设备为研磨机或气流粉碎机，所述研磨机为球磨机或砂磨机。[0010]用于形成球状碳纳米管团聚体的旋转设备为砂磨机。
[0011]本发明还提供了所述球状碳纳米管团聚体的制备方法，该方法包括如下步骤:
[0012]a、将碳纳米管与研磨介质按0.1~1:0.1~10的比例置于研磨机中；
[0013]b、将纳米碳管用有研磨介质的研磨机以2~50米/秒的线速度研磨I分钟~20小时，形成由多个粒径为0.1~3微米，形状为球形或棒形的碳纳米管基团构成的粉体；
[0014]C、将步骤b制备的占研磨机容积30~90%的含碳纳米管基团的粉体置于无研磨介质的研磨机中，研磨3分钟~20小时,所述研磨设备的线速度为5~50米/秒,形成由多个粒径为3~50微米，形状为球形或棒形的碳纳米管团聚体构成的粉体。
[0015]在本发明的另一方案中，所述球状碳纳米管团聚体的制备方法包括如下步骤:
[0016]d、将占研磨设备容积30~90%的碳纳米管置于无研磨介质的研磨机中；
[0017]e、将纳米碳管用无研磨介质的研磨机研磨I分钟~20小时，所述研磨机的线速度为5~50米/秒，形成由多个粒径为0.1~3微米，形状为球形或棒形的碳纳米管基团构成的粉体；
[0018]f、将步骤e制备的占研磨机容积30~90%的含碳纳米管基团的粉体置于无研磨介质的研磨机中，研磨3分钟~20小时,所述研磨设备的线速度为5~50米/秒,形成由多个粒径为3~50微米，形状为球形或棒形的碳纳米管团聚体构成的粉体。
[0019]在本发明的又一方案中，所述球状碳纳米管团聚体的制备方法包括如下步骤:
[0020]g、将碳纳米管送入气流粉碎机，碳纳米管的进料速度为I~100公斤/小时，进料气压为0.7~1.0Mpa ；
[0021]h、将碳纳米管在气流粉碎机内以2~10立方米/小时的气流量的高压气体进行冲击粉碎后出料，即得到由多个粒径为0.1~3微米，形状为球形或棒形的碳纳米管基团构成的粉体；
[0022]1、将步骤h制备的占研磨机容积30~90%的含碳纳米管基团的粉体置于无研磨介质的研磨机中，研磨3分钟~20小时,所述研磨设备的线速度为5~50米/秒,形成由多个粒径为3~50微米，形状为球形或棒形的碳纳米管团聚体构成的粉体。
[0023]上述方法的基理在于，碳纳米管在旋转设备中高速旋转时，碳纳米管之间原有的无序缠绕状态被打破，碳纳米管在高速旋转状态下通过有序的排列和交织而聚集成团，形成球形或棒形的集合体，这种集合体使得碳纳米管在实际应用时可快捷地加以分散，因而提闻了使用效率。
[0024]所述研磨介质为材料及尺寸相同的单一介质，或材料及尺寸不同的混合介质，所述单一介质的粒径为0.1~50mm。
[0025]所述研磨介质为硅酸锆珠、二氧化锆珠、二氧化铝珠或钢珠中的一种或几种的组
八
口 ο
[0026]本发明还提供了所述的球状碳纳米管团聚体的用途，该球状碳纳米管团聚体可作为锂电池、高分子材料、涂料、油漆的导电剂或导热剂。
[0027]本发明的贡献在于，其有效解决了现有技术中存在的碳纳米管分散性差，需要强酸氧化及使用 分散剂分散等问题。本发明的球状碳纳米管基团材料由于团聚成球状体，因而具有优良的分散特性，其可直接添加到基体材料中，从而减少或无需添加分散剂，因而大大扩展了其应用范围，优化和改善了生产工艺，并可显著节约能源。本发明的碳纳米管基团的球状结构易于形成导电网络，因此可更好的发挥碳纳米管的性能。在实际应用中，该碳纳米管基团直接经短时间高速搅拌即可做成锂电池用导电浆料，因此大大减少了分散时间。本发明的制备方法工艺简单，易于实施和大规模推广应用，且生产成本低廉。本发明的碳纳米管团聚体用途广泛，其可应用于锂电池、高分子材料、涂料、油漆中，作为可均匀分散的导电剂和导热剂。
【【专利附图】

【附图说明】】
[0028]图1是通过无介质研磨机所制得的碳纳米管团聚体显微扫描图。
[0029]图2是通过无介质研磨机所制得的碳纳米管团聚体另一显微扫描图。
[0030]图3是由碳纳米管团聚体制成的导电浆料显微扫描图。
【【具体实施方式】】
[0031]下列实施例是对本发明的进一步解释和说明，对本发明不构成任何限制。[0032]本发明中的碳纳米管可以是公知的单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的任一种。
[0033]实施例1
[0034]将重量为100克的多壁碳纳米管与重量为200克，直径为I毫米的单一介质的锆珠放入I升的球磨机罐内，其中球磨机的线速度为5米/秒，研磨时间I小时，得到含多个直径为I~3微米，形状为椭球状的碳纳米管基团的粉体，粉体中碳纳米管基团的体积含量为30~40%ο
[0035]将所制备的重量为100克的含碳纳米管基团的粉体置于无研磨介质的研磨机中研磨时间3分钟，其中砂磨机的分散盘与筒体的间隙为3毫米，分散盘线速度为50米/秒，形成由多个粒径为3~50微米，形状为球状的碳纳米管团聚体构成的粉体，粉体中碳纳米管团聚体的体积含量为80~90%。该碳纳米管基团粉体的显微扫描图如图1、图2所示。
[0036]实施例2
[0037]将重量为100克的多壁碳纳米管放入I升的砂磨机罐内，其中砂磨机的分散盘与筒体的间隙为5毫米，分散盘线速度为50米/秒，研磨时间19小时，得到含多个直径为I~3微米，形状为椭球状的碳纳米管基团的粉体，粉体中碳纳米管基团的体积含量为80~90%。
[0038]将所制备的重量为100克的含碳纳米管基团的粉体置于无研磨介质的研磨机中研磨时间3分钟，其中砂磨机的分散盘与筒体的间隙为3毫米，分散盘线速度为50米/秒，形成由多个粒径为3~50微米，形状为球状的碳纳米管团聚体构成的粉体，粉体中碳纳米管团聚体的体积含量为50~70%。
[0039]实施例3
[0040]将实施例1、2中所制得的球状碳纳米管团聚体分别与溶剂N~甲基吡咯烷酮按5:95的重量比在搅拌容器中相混合，搅拌容器的线速度为5米/秒，匀速搅拌5分钟，分别制成序号为1、2的导电浆料，该导电浆料的显微扫描图如图3所示。将制得的导电浆料涂布制备成电极片，然后测其电阻率，并比较阻值大小和分散均匀性，数据如表1。
[0041]比较例I
[0042]将未经本法处理过的普通碳纳米管与溶剂N~甲基吡咯烷酮按5:95的重量比在搅拌容器中相混合，搅拌容器的线速度为5米/秒，匀速搅拌5分钟，制成导电浆料，将制得的导电浆料涂布制备成电极片，然后测其电阻率，结果见表1。
[0043]表1
[0044]
【权利要求】
1.一种球状碳纳米管团聚体，其特征在于，该球状碳纳米管团聚体是由若干个球状碳纳米管在旋转设备中经旋转团聚而成，该团聚体的粒径为3~50微米，形状为球形或棒形，所述球状碳纳米管基团是将碳纳米管粉体置于旋转设备中，通过旋转使无序缠绕的碳纳米管聚集成有序交织的基团而形成，所述基团的粒径为0.1~3微米，形状为球形或棒形。
2.如权利要求1所述的球状碳纳米管团聚体，其特征在于，所述球形碳纳米管团聚体及球形碳纳米管基团为圆球形或椭球形。
3.如权利要求1所述的球状碳纳米管团聚体，其特征在于，用于形成球状碳纳米管基团的旋转设备为研磨机或气流粉碎机，所述研磨机为球磨机或砂磨机。
4.如权利要求3所述的球状碳纳米管团聚体，其特征在于，用于形成球状碳纳米管团聚体的旋转设备为砂磨机。
5.一种如权利要求1所述球状碳纳米管团聚体的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: a、将碳纳米管与研磨介质按0.1~1:0.1~10的比例置于研磨机中； b、将纳米碳管用有研磨介质的研磨机以2~50米/秒的线速度研磨I分钟~20小时，形成由多个粒径为0.1~3微米，形状为球形或棒形的碳纳米管基团构成的粉体； C、将步骤(b)制备的占研磨机容积30~90%的含碳纳米管基团的粉体置于无研磨介质的研磨机中，研磨3分钟~20小时，所述研磨设备的线速度为5~50米/秒，形成由多个粒径为3~50微米，形状为球形或棒形的碳纳米管团聚体构成的粉体。
6.一种如权利要求1所述球状碳纳米管团聚体的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: d、将占研磨设备容积30~90%的碳纳米管置于无研磨介质的研磨机中； e、将纳米碳管用无研磨介质的研磨机研磨1分钟~20小时，所述研磨机的线速度为5~50米/秒，形成由多个粒径为0.1~3微米，形状为球形或棒形的碳纳米管基团构成的粉体； f、将步骤(e)制备的占研磨机容积30~90%的含碳纳米管基团的粉体置于无研磨介质的研磨机中，研磨3分钟~20小时，所述研磨设备的线速度为5~50米/秒，形成由多个粒径为3~50微米，形状为球形或棒形的碳纳米管团聚体构成的粉体。
7.—种如权利要求1所述球状碳纳米管团聚体的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: g、将碳纳米管送入气流粉碎机，碳纳米管的进料速度为I~100公斤/小时，进料气压为 0.7 ~1.0Mpa ； h、将碳纳米管在气流粉碎机内以2~10立方米/小时的气流量的高压气体进行冲击粉碎后出料，即得到由多个粒径为0.1~3微米，形状为球形或棒形的碳纳米管基团构成的粉体； 1、将步骤(h)制备的占研磨机容积30~90%的含碳纳米管基团的粉体置于无研磨介质的研磨机中，研磨3分钟~20小时，所述研磨设备的线速度为5~50米/秒，形成由多个粒径为3~50微米，形状为球形或棒形的碳纳米管团聚体构成的粉体。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述研磨介质为材料及尺寸相同的单一介质，或材料及尺寸不同的混合介质，所述单一介质的粒径为0.1~50_。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述研磨介质为硅酸锆珠、二氧化锆珠、二氧化铝珠或钢珠中的一种或几种的组合。
10.权利要求1所述的球状碳纳米管团聚体作为锂电池、高分子材料、涂料、油漆的导电剂、导热剂的应用。
【文档编号】C01B31/02GK103922303SQ201410114236
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年3月25日 优先权日:2014年3月25日
【发明者】郜天宇, 赵红娟, 梁颖 申请人:深圳市纳米港有限公司