一种碳纳米管分散剂及其制备方法与流程

文档序号：14484518阅读：1113来源：国知局

本发明属于高分子化合物制备技术领域，具体涉及一种碳纳米管分散剂及其制备方法。

背景技术：

碳纳米管(下文可缩写为cnt)是在1991年由日本物理学家发现(nature1991,354,56.)，其为一种管状之碳分子，管上每个碳原子采取sp2混成轨道化，相互间以碳-碳σ及π键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为奈米碳管的骨架。按照管子的层数不同，分为单壁奈米碳管及多壁奈米碳管。管子的半径方向达到奈米尺度且具有sp2之共轭结构，因此cnt具有较佳之导电、导热、场发效应、韧性、刚性及高熔点，可作为高分子的填充材、燃料电池离子交换膜填充材、场效晶体管、场发射显示器、电极模块改质及气体侦测器的改质等应用。由于cnt分子间具有强大的凡得瓦尔力(vanderwaalsattractions)，使得cnt容易纠结缠绕(entanglement)在一起，阻碍其应用上之发展。近年来，为了提升cnt在溶液中的分散性，其主要方法可分为化学改质法(chemicalmodificationorchemicalfunctionalization)，其机制为此种方法是将强酸作为氧化剂，在反应过程中碳管的管壁或末端形成带有含氧的官能基，将碳管切短成达數百米的短碳管，经过官能基化的碳管可以有效的分散在水溶液及不同的有机溶剂中，再利用atomtransferradicalpolymerization(j.am.chem.soc.2003,125,16015.)和ring-openingpolymerization(nanolett.2002,2,797.)共价键接枝长链段有机分子进而提升cnts之分散性，但表面改质的过程中破坏了cnts的sp2结构及长度，而导致cnts原本性质下降，不利于应用效果。

另一方法为的物理吸附法(physisorption)或称为非共价键修饰(non-covalentmodification)，此种方法利用界面活性剂当作分散剂(如:sds)或以具有极性侧链的高分子(如pvp)缠绕在碳管四周，并施以外力，例如：超音波震荡或研磨等，或藉由溶剂的辅助而形成一具有奈米碳管复合材料，极性链段与溶液会形成稳定分散。

由于分散问题会导致在cnt的各种应用中的困难。为避免这一点，研究人员已经深入研究了通过表面重整、表面化学改性或类似方式改进cnt的可分散性的方法。且文献中所使用的分散剂所达到的分散系统奈米碳管固含量无法做高，并且必须使用大量分散剂以提高分散性，以致存在无法充分表现cnt本身极佳的机械，导热与导电等性质的疑虑。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够将cnt分散在介质例中达到其单ー尺寸的程度的碳纳米管分散剂。

本发明为了达到上述目的进行了深入研究，结果发现具有peg聚乙二醇(polyethyleneglycol)与丙烯腈(acrylonitrile)的聚合物在cnt的可分散性方面是优异的，并且当使用这种聚合物作为cnt分散剂时cnt可以分散到其单ー颗粒尺寸而无需附加处理，从而完成了本发明。

一种碳纳米管分散剂，所述碳纳米管分散剂为聚乙二醇与丙烯腈的聚合物，具有由式i表示的重复单元：

式中，m的数值范围为1-300；n数值范围为1-300；b代表嵌段共聚。

所述聚乙二醇与丙烯腈聚合物的平均分子量为10000-60000。

一种碳纳米管分散液，包括碳纳米管，上述碳纳米管分散剂，有机溶剂。

所述碳纳米管选自单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的至少ー种。

所述有机溶剂为n-甲基吡咯烷酮。

上述的碳纳米管分散剂的制备方法，按照如下步骤进行：

a：在n²气氛中下，将peg4000，丙烯腈,去离子水,置入三颈玻璃瓶中；

b：于15-25℃以磁石搅拌均匀后，加入硝酸铈铵，搅拌10-20min；

c：接着升温至75-85℃，搅拌3-5小时；

d：加入己烷，过滤沉积的沉淀物并在减压下在55-65℃下干燥9-11小时而获得产物。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的分散剂由具有peg聚乙二醇与丙烯腈存在聚合物构成，以致它在cnt的可分散性方面优异并能够离散地分散cnt到其単一尺寸，因此，当使用本发明的分散剂时，cnt可以隔离到単一尺寸(长度：100-2000nm)的程度并且可以稳定地(没有凝聚)，其中cnt以未结合状态单独地分散在介质中存在的状态，而不会由于cnt的相互凝聚集而形成块或集束。此外，cnt可以通过使含所述分散剂的溶液、cnt和有机溶剂经受机械处理例如超声波处理而分散。为了分散，可以省去附加的步骤例如热处理并且处理时间可以缩短。并且聚合物的平均分子量优选在10000-60000。如果聚合物的重均分子量小于10000，则cnt的可分散性可能显着地降低，当平均分子量超过60000时，在高浓度的cnt分散液可能存在分散处理的操作变得困难。而本发明使用有机溶剂的组合物中分散剂的浓度不是关键的，只要该浓度足以使cnt能够分散在有机溶剂中。在本发明实施例中，该浓度为占组合物的大约0.1-6wt％，更优选大约0.5-2wt％。此外，cnt在组合物中的浓度是任意的，只要该cnt的至少一部分均匀地分散。在本发明中，该浓度优选为占组合物的大约0.0001-20wt％，更优选大约1-10wt％。

附图说明

图1为聚合物pd-1nmr图谱。

图2为聚合物pd-2nmr图谱。

图3为聚合物pd-3nmr图谱。

图4为聚合物pd-4nmr图谱。

图5为聚合物pd-5nmr图谱。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

用于制备样品和分析物理性能的器件描述如下。

1.nmr核磁共振光谱(nuclearmagneticresonancespectroscopy)；

2.电阻率测定仪(表面电阻率测量)；

探针：4-销探针asp(内销距离：5mm)。

实施例1pd-1的合成

a：在n2气氛中下，peg4000聚乙二醇(polyethyleneglycol)(40g,0.01mol)，丙烯腈(acrylonitrile)(0.53g,0.01mol)去离子水(100g),置入250ml三颈玻璃瓶中；