一种新的氧化体系对多壁碳纳米管功能化的方法技术

本发明专利技术涉及一种新的氧化体系对多壁碳纳米管功能化的方法。该制备方法包括以下步骤：1.低温阶段：将0.1g MWCNT、0.1g NaNO3、60ml质量分数78％浓H2SO4超声机械搅拌40min，使碳管分散均匀。2.中温阶段：缓慢加入0.2g KMnO4，控制水浴温度在35-45℃超声2h。3.高温阶段：恒温槽中维持水温60℃，随后缓慢加入20ml 30％H2O2溶液，回流反应40min。4.后处理阶段：待温度降至室温后，配制质量分数5％的稀盐酸溶液洗涤2-3次并离心分离，然后用二次水洗涤至中性pH＝7，然后70℃抽真空充分干燥MWCNT。5.研磨阶段：向干燥后的碳纳米管中加入少量的乙醇，在玛瑙研钵中研磨10min，70℃真空充分干燥制得改性后的MWCNT。本发明专利技术的方法具有工艺简单、实验周期短、多壁碳纳米管的功能化程度高、成本低等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新的氧化体系对多壁碳纳米管功能化的方法，属于功能化材料

技术介绍
碳纳米管是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角度卷曲而成无缝纳米级管，碳纳米管表面的碳原子之间是以sp2杂化方式纯在，碳管两端可认为是由半球形的富勒烯封帽形成，这种独特的结构使得碳纳米管具有很多优异的性能，例如大的长径比和比表面积、特殊的电学性质、优异的力学性能和热稳定性，这些特殊的性能使得多壁碳纳米管作为复合材料的填充体引起广泛的关注。然而，由于多壁碳纳米管的长径比和比表面积较大使得碳纳米管具有很高的表面能，多壁碳纳米管之间的范德华力作用很强，使得碳纳米管之间极易相互交织在一起，形成团聚体影响碳管在溶剂或聚合物基体中的分散性，致使复合材料的性能变差。因此，要使碳管在复合材料中具有较好的分散性，制得性能更加优异的碳纳米管复合材料，必须先对碳纳米管进行改性修饰。近几年来围绕碳纳米管的改性修饰已取得重要研究进展，目前对碳纳米管的修饰主要分为两部分：共价键修饰改性和非共价键修饰改性。共价键修饰改性即采用化学反应的方式将碳纳米管的表面和碳管末端缺陷处氧化引入含氧官能团(羧基-COOH、羟基-OH、羰基-C＝O)，为接枝聚合物大分子奠定了基础。非共价键改性即利用碳纳米管高度离域的π电子与表面活性剂大分子之间的π-π共轭、配位效应相结合使得表面活性剂分子吸附在碳管的表面。本专利技术主要介绍了一种新的制备羧基化多壁碳纳米管的合成途径。反应中采用三成分氧化体系即浓硫酸/高锰酸钾/过氧化氢混合溶液，反应过程中采用三阶段反应即低温、中温及高温阶段，并采用中温阶段超声辅助的方式制备了功能化程度较高的多壁碳纳米管，并且通过场发射扫描电镜对多壁碳纳米管的表 面形貌进行表征表明实验中所采用的氧化体系对碳纳米管的破坏程度很低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新的多壁碳纳米管功能化程度较高的方法。本专利技术采用的技术方案是提供一种多壁碳纳米管功能化程度较高的制备方法，该方法步骤如下：1)低温阶段(在冰水混合浴中进行)：将0.1g MWCNT、0.1g NaNO3、60ml质量分数78％浓H2SO4超声机械搅拌40min，使碳管分散均匀。2)中温阶段：缓慢加入0.2g KMnO4，控制水浴温度在35-45℃超声2h。3)高温阶段：恒温槽中维持水温60℃，反应40min，随后缓慢加入20ml30％H2O2溶液，回流反应30min。4)后处理阶段：待温度降至室温后，配制质量分数5％的稀盐酸溶液洗涤2-3次离心分离，然后后用二次水洗涤至中性pH＝7，70℃抽真空充分干燥MWCNT。向干燥后的碳纳米管中加入少量的乙醇，在玛瑙研钵中研磨10min，70℃真空充分干燥制得改性后的MWCNT。采用超声辅助氧化的方法制备功能化程度较高的多壁碳纳米管，所用材料为质量分数78％浓硫酸，硝酸钠，高锰酸钾，质量分数30％过氧化氢，去离子水。所述的方法为超声辅助氧化的方法。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。所述的制备的功能化碳纳米管在乙醇溶液中能保持较长时间的分散而不出现聚沉的现象。所述的制备的功能化碳纳米管的粒径分布较小，与购买的羧基化的碳纳米管的粒径分布相比有明显的优势。所述的制备的功能化碳纳米管的羧基和羟基含量较高，尤其是羟基的含量。所述的制备功能化碳纳米管的方法对多壁碳纳米管的破坏程度很小。本专利技术的有益效果是：1)采用超声辅助氧化制备功能化多壁碳纳米管过程中，反应设备投资少，操作简单，功能化效率高以及对多壁碳纳米管的破坏程度低等优点。2)实验过程中分三个阶段对多壁碳纳米管进行功能化，提高了碳管上羧基及羟基的含量，缩短了实验周期，降低了实验成本。3)采用机械搅拌和超声同时进行的方式来使多壁碳纳米管在氧化体系中分散均匀，提高碳纳米管功能化效果；附图说明图1是实施例1制备的功能化多壁碳纳米管表面形貌的场发射扫描电镜FESEM图。具体实施方式采用超声辅助氧化制备功能化程度较高的多壁碳纳米管的方法，以浓硫酸/高锰酸钾/过氧化氢作为氧化体系，实验过程分三个温度阶段并在中温阶段采用超声辅助氧化反应制备功能化效率较高的碳纳米管。下面结合实施例对本专利技术作进一步的描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。实施例1一种功能化程度较高多壁碳纳米管的制备方法，该方法步骤如下：1)低温阶段(在冰水混合浴中进行)将0.1g MWCNT、0.1g NaNO3、60ml质量分数78％浓H2SO4超声机械搅拌40min，使碳管分散均匀。2)中温阶段缓慢加入0.2g KMnO4，控制水浴温度在35-45℃超声2h。3)高温阶段将恒温槽中维持水温60℃，反应40min，随后缓慢加入20ml30％H2O2溶液，回流反应30min。4)后处理阶段 待温度降至室温后，配制质量分数5％的稀盐酸溶液洗涤2-3次离心分离，然后后用二次水洗涤至中性pH＝7，70℃抽真空充分干燥MWCNT。向干燥后的碳纳米管中加入少量的乙醇，在玛瑙研钵中研磨10min，70℃真空充分干燥制得改性后的MWCNT。表1是XPS图谱分析对应的各官能团的含量的数据。样品1：购买的；样品2：本专利改性的多壁碳纳米管。图1是改性后功能化多壁碳纳米管表面形貌示意图，可见采用超声辅助的氧化体系未对多壁碳纳米管结构造成严重的破坏，且改性后的碳纳米管分散性较好未发生明显的团聚。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新的氧化体系对多壁碳纳米管功能化的方法，其特征在于，该方法步骤如下，1)低温阶段(在冰水混合浴中进行)：将0.1g MWCNT、0.1g NaNO3、60ml78％浓H2SO4超声机械搅拌40min，使碳管分散均匀。2)中温阶段：缓慢加入0.2g KMnO4，控制水浴温度在35‑45℃超声2h。3)高温阶段：恒温槽中维持水温60℃，随后缓慢加入20ml 30％H2O2溶液，回流反应40min。4)后处理阶段：待温度降至室温后，配制质量分数5％的稀盐酸溶液洗涤2‑3次离心分离，然后后用二次水洗涤至中性pH＝7，70℃抽真空充分干燥MWCNT。向干燥后的碳纳米管中加入少量的乙醇，在玛瑙研钵中研磨10min，70℃真空充分干燥制得改性后的MWCNT。

【技术特征摘要】
1.一种新的氧化体系对多壁碳纳米管功能化的方法，其特征在于，该方法步骤如下，1)低温阶段(在冰水混合浴中进行)：将0.1g MWCNT、0.1g NaNO3、60ml78％浓H2SO4超声机械搅拌40min，使碳管分散均匀。2)中温阶段：缓慢加入0.2g KMnO4，控制水浴温度在35-45℃超声2h。3)高温阶段：恒温槽中维持水温60℃，随后缓慢加入20ml 30％H2O2溶液，回流反应40min。4)后处理阶段：待温度降至室温后，配制质量分数5％的稀盐酸溶液洗涤2-3次离心分离，然后后用二次水洗涤至中性pH＝7，70℃抽真空充分干燥MWCNT。向干燥后的碳纳米管中加入少量的乙醇，在玛瑙研钵中研磨10min，70℃真空充分干燥制得改性后的MWCNT。2.根据权利要求1所述的一种新的氧化体系对多壁碳纳米管功能化的方法，其特征在于，所用材料为质量分数78％浓硫酸，硝酸钠，高锰酸钾，质量分数30％过氧化氢，去离子水。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李广芬，梁绍磊，田润，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12