一种负载含氧基团的碳纳米管分散液及其制备方法技术

本发明专利技术属于碳纳米管材料改性技术领域，公开了一种附着含氧基团的碳纳米管分散液及其制备方法。所述方法包括以下步骤：以5～10℃/min的升温速率将CNTs在氧气气氛中进行热重测试，从而找到CNTs在与氧气反应转化为碳氧化物气体的初始失重温度；进而在此温度及以上的高温炉中对CNTs进行热处理，同时通入小流量的含氧气氛，制得附着含氧官能团的CNTs，将其分散于极性溶剂中制得附着含氧官能团的CNTs分散液。该方法避免了强酸和强氧化剂的使用，具有工艺简单、安全、适宜大规模批量生产等特点，且对环境保护非常有利；附着于碳纳米管上的含氧官能团对重金属离子和负载物的前驱体具有静电吸附作用，在环境净化和CNTs复合材料领域具有广泛的应用前景。有广泛的应用前景。有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种负载含氧基团的碳纳米管分散液及其制备方法


[0001]本专利技术属于材料制备
，涉及一种碳纳米管材料改性技术，特别是涉及一种负载含氧基团的碳纳米管的制备方法。

技术介绍

[0002]一维中空层状结构的碳纳米管(CNTs)按照层数来分，可以分为单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)，SWCNTs由一层石墨烯组成，而MWCNTs由不同直径的SWCNTs套构而成，因其具有许多优越的力学、热学、电学和化学性能，在复合材料、传感器、隐形材料、新型芯片等领域得到了广泛的研究和应用。而在碳纳米管上接枝羟基(
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OH)、羧基(
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COOH)和醚类(C
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O
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C)等含氧基团不仅可以增加CNTs的极性从而溶于一些极性溶剂，而且碳纳米管表面所附着的含氧基团可以对带正电荷的材料产生静电吸附作用力，从而将其吸引到其表面，因此在吸附重金属离子方面得到了一定的研究和报道，而结合后续的反应可以将吸附的目标产物的前驱体在原位转化为目标产物，因此在复合材料领域也得到了广泛的研究和报道。在目前的报道中，CNTs的氧化均是通过硝酸、盐酸、硫酸等强酸和高锰酸钾、双氧水和臭氧等强氧化剂进行的。中国专利CN 108281674B公开了一种四氧化三锰/氮掺杂碳纳米管复合材料的制备方法，其中制备CNTs分散液用到了强酸、强氧化剂和过氧化氢等试剂。中国专利CN 108550862B公开了一种四氧化三钴
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氨基碳纳米管复合电催化材料及制备与应用，其中将CNTs用浓硫酸和浓硝酸的混酸氧化，得到了氧化CNTs。
[0003]在上述在CNTs表面接枝含氧基团的报道中，需要用到大量硫酸、硝酸和盐酸等高腐蚀性的强酸和强氧化剂高锰酸钾等。这种方法不仅给实验过程带来了危险，同时对环境带来不利影响，且不利于大规模的生产和制备。如何通过简单的方式在CNTs上附着一定量的含氧基团的简单的制备技术已显得尤为可贵。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种附着含氧官能团的碳纳米管分散液及其制备方法，该方法避免了强酸和强氧化剂的使用，具有工艺简单、安全、适宜大规模批量生产等特点，且对环境保护非常有利；附着于碳纳米管(CNTs)上的含氧官能团对重金属离子和负载物的前驱体具有静电吸附作用，在环境净化和CNTs复合材料领域具有广泛的应用前景。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种附着含氧基团的碳纳米管分散液的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0006](1)确定CNTs的初始失重温度：将CNTs在氧气气氛中以5～10℃/min的升温速率进行热重测试，确定CNTs的初始失重温度；
[0007](2)热处理获得附着含氧官能团的CNTs：将CNTs原料放到高温炉中，以一定的升温速率升温至初始失重温度及以上，同时通入小流量的含有氧气的气氛，在此温度下维持一定时间，从而使得CNTs附着一定量的含氧官能团；
[0008](3)分散于极性溶剂中制得附着含氧官能团的CNTs分散液：称取一定量的上述附着含氧官能团的CNTs添加到一定体积的极性溶剂中，然后向其中添加或不添加分散助剂，经过超声分散或高速剪切方法制得附着含氧官能团的CNTs分散液。
[0009]本专利技术第二方面提供由上述方法制得的附着含氧官能团的CNTs分散液。
[0010]本专利技术第三方面提供上述附着含氧官能团的CNTs分散液在CNTs复合材料中的应用。
[0011]通过上述技术方案，本专利技术具有以下有益效果：
[0012]本专利技术所述的核心技术与现有技术相比关键在于创新性的通过CNTs在含有氧气气氛中的热处理使得CNTs表面附着含有氧的官能团，附着含氧基团的CNTs中，氧的质量分数达到10.0wt.％以上，可达15.0wt.％。附着含氧基团的CNTs中的含氧组分主要包括连接芳香碳的碳氧双键、连接脂肪碳的碳氧单键和连接芳香碳的碳氧单键。这将起到上述使用大量腐蚀性的强酸和强氧化剂使得CNTs表面附着含氧官能团的作用，但却避免了强酸和强碱等腐蚀性试剂的使用，而且本专利技术制得的附着含氧官能团的碳纳米管在极性溶剂中高度分散，且长时间不沉降或附着。本专利技术所述的附着于CNTs上的含氧官能团将起到对重金属离子和负载物的前驱体的静电吸附作用，在环境净化和CNTs复合材料领域具有广泛的应用前景；本专利技术所述的这种在CNTs上附着含氧基团的制备方法具有工艺简单、安全、适宜大规模批量生产等特点，且对环境保护非常有利。
附图说明
[0013]图1为本专利技术实施例1使用的一种MWCNTs的热重分析曲线图；
[0014]图2为本专利技术实施例1制备的附着含氧基团MWCNTs的透射电子显微镜(TEM)图；
[0015]图3为本专利技术实施例1制备的附着含氧基团MWCNTs及其原料的X
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射线光电子能谱(XPS)图；
[0016]图4本专利技术实施例1制备的附着含氧基团碳纤维的O1s的XPS图；
[0017]图5为本专利技术实施例1制备的附着含氧基团的MWCNTs及其原料的N2吸脱附曲线图；
[0018]图6为本专利技术实施例1制备的附着含氧基团的MWCNTs及对比例1制备的原料MWCNTs在不添加分散剂时在水中分散情况的照片(1mg/mL)(a)与其静置3个月后的照片(b)；
[0019]图7为本专利技术实施例2所制备的附着含氧基团的MWCNTs在分散剂PVP的作用下均一分散于水(1mg/mL)(a)与静置6个月后(b)的照片；
[0020]图8为本专利技术实施例3制备的附着含氧基团的MWCNTs均一分散于NMP(1mg/mL)中3个月后的照片；
[0021]图9为本专利技术实施例6所使用的一种SWCNTs的热重分析曲线图；
[0022]图10为本专利技术实施例6制备的附着含氧基团SWCNTs的TEM图；
[0023]图11为本专利技术实施例6制备的附着含氧基团的SWCNTs及其原料的N2吸脱附曲线图；
[0024]图12为本专利技术对比例2所使用的SWCNTs原料(1mg/mL)(a)和本专利技术实施例6所制备的附着含氧基团的SWCNTs(1mg/mL)(b)在PVP分散剂的辅助下分散于水的照片。
具体实施方式：
[0025]下面通过实施例进一步说明本专利技术的具体内容。
[0026]本专利技术第一方面提供一种附着含氧基团的碳纳米管分散液的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0027]以5～10℃/min的升温速率将CNTs在氧气气氛中进行热重测试，从而找到CNTs在与氧气反应转化为碳氧化物气体的初始失重温度；进而在此温度及以上的高温炉中对CNTs进行热处理，同时通入小流量的含氧气氛，制得附着含氧官能团的CNTs，将其分散于极性溶剂中制得附着含氧官能团的CNTs分散液。
[0028]本专利技术中，热处理的目的是使得CNTs在合适的温度下缓慢氧化，同时需要指出的是，基于部分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种附着含氧基团的碳纳米管分散液的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)确定CNTs的初始失重温度：将CNTs在氧气气氛中以5～10℃/min的升温速率进行热重测试，确定CNTs的初始失重温度；(2)热处理获得附着含氧官能团的CNTs：将CNTs原料放到高温炉中，以一定的升温速率升温至初始失重温度及以上，同时通入小流量的含氧气氛，在此温度下热处理维持一定时间，从而使得CNTs附着一定量的含氧官能团；(3)分散于极性溶剂中制得附着含氧官能团的CNTs分散液：称取一定量的上述附着含氧官能团的CNTs添加到一定体积的极性溶剂中，然后向其中添加或不添加分散助剂，经过超声分散或高速剪切方法制得附着含氧基团的CNTs分散液。2.根据权利要求1所述的一种附着含氧基团的碳纳米管分散液的制备方法，其特征在于，所述含氧气氛包括空气、氧气、空气与惰性气氛的混合气、氧气与惰性气氛的混合气，所述惰性气氛为氮气和氩气，所通入含氧气氛的流速为0～5mL/min，热处理的温度范围为初始失重温度及以上至多100℃，升温速率为1～10℃/min；热处理维持时间为0.1～5h。3.根据权利要求1所述的一种附着含氧基团的碳纳米管分散液的制备方法，其特征在于，所述高温炉包括管式炉或马弗炉。4.根据权利要求1所述的一种附着含氧基团的碳纳米管分散液的制备方法，其特征在于，所述极性溶剂选自水、N,N
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【专利技术属性】
技术研发人员：朱守圃，孟晓茹，黄景瑞，林孟昌，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：