一种氧化修饰多壁碳纳米管的方法技术

本发明专利技术属于纳米材料技术领域，尤其涉及一种氧化修饰多壁碳纳米管的方法，使用临界流体对碳管表面进行有效的氧化修饰，提高了碳管在水中的分散性，同时对碳管损伤性较小，修饰后的碳管表面含有的氧化官能团可以使得碳管和其他材料有效结合。使用了超临界水作为反应的氧化剂，提高了反应过程的安全性和环保性，且无污染性气体产生也大大保证了操作人员的身体健康。本发明专利技术使用了水热釜作为反应容器，可以对整个反应体系进行均匀地加热。此技术方案对碳管的完整性保持较好，反应结束碳管产物颗粒较大，过滤进程大大缩短，效率大大提高。本发明专利技术使用了较为温和环保的氧化剂来修饰碳管，产率也有大大的提高。率也有大大的提高。率也有大大的提高。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化修饰多壁碳纳米管的方法


[0001]本专利技术属于纳米材料
，尤其涉及一种使用超临界水对碳管进行氧化修饰的方法。

技术介绍

[0002]碳纳米管自1991年被日本科学家Iijima发现以来，由于其优异的导电，导热性，较大的比表面积，较高的机械性能，特殊的管状中空结构，是最具潜力的碳材料之一。碳管独特的性质使其成为制备复合材料的理想框架或者前驱体材料。尽管如此，碳管的一些本征特点也给其应用过程造成了一些困扰，比如较大的长径比使得其在范德华力作用下极易缠绕团聚，这导致了碳管分散液很不稳定且极易沉淀，同时碳管表面是化学惰性的，一定程度上阻碍了碳管和其他材料的快速复合和相互作用。
[0003]针对上述问题，需要对碳纳米管进行表面修饰，目前的修饰方法主要是物理和化学修饰。化学修饰常常采纳各种强氧化剂来对碳管表面进行氧化处理，其中最常用和最有效的方法是浓硝酸和浓硫酸的混合液作为氧化剂。然而，这种方法会产生大量污染性气体NO
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，危害环境，对操作人员来讲危险性也较大。其次，由于这种混酸溶液氧化性过强，在修饰过程中对碳管的结构造成了严重破坏，损耗了许多碳管自身的优异特性，因此最终产率也较低，不适合工业化生产。物理修饰法使用表面活性剂，比如亲水性高分子或者生物大分子来处理碳管。此法可以最大程度的保持碳管的完整性，但是最大的缺点在于这些修饰物很难去除,且修饰后的碳管和其他材料的化学相互作用较弱，无法有效结合，在最终的复合材料中无法发挥碳管的优异性能。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术设计了一种使用超临界水对碳管进行氧化修饰的方法。本专利技术使用超临界水氧化修饰多壁碳纳米管，超临界水能够促进碳管中的C－C键的开裂，其不仅作为反应物也作为催化剂弱化了芳环的C
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C键，因此促进了碳管上苯环的开环反应。超临界水氧化修饰碳管的技术具有反应效率高、绿色无公害，产品产量高等特点。
[0005]本专利技术的技术方案的操作步骤如下：
[0006]其中原料为多壁碳纳米管；去离子水。
[0007]步骤一，在配料室使用电子天平称取一定量的物料、超纯水、碳管，倒入干燥洁净的中釜式反应器混合均匀。
[0008]步骤二，检查反应系统的水源、电源和气源状态，保证反应釜系统排水、排气状态良好，实验室通风良好。
[0009]步骤三，将反应釜与温度传感器装置联接并保证气密性良好。开启Ar气源排空，待反应釜内的空气被排干净后，关闭气体进口阀门；关闭通Ar的管路，慢慢开气体释放阀，放气至设定的初始压力；关闭气体释放阀，加大气源压力检漏。如果1.5分钟中气压的变化范围小于0.01兆帕，则认为反应系统气密性良好。
[0010]步骤四，用电热炉加热反应器,使反应系统达到反应条件。在加热过程,要注意观察温度、压力的变化,随时检查设备的泄漏情况。
[0011]步骤五，加热到反应温度稳定，经过预设的停留时间后，关闭电加热炉，将反应釜从炉子中取出，进行空气自然冷却，待釜内温度降到250℃，放入冷却水进行水冷，接着取出进行空气冷却。
[0012]步骤六，反应结束后通过过滤、离心、干燥等步骤收集处理过的碳管产品。
[0013]步骤七，将反应釜在水池中清洗干净后，在超声清洗器中放置20分钟，然后放入远红外干燥炉中干燥1小时左右以除去釜内水分，温度设定为100℃。
[0014]进一步，所述步骤1的碳管，去离子水的量可以在一定范围内进行调整。
[0015]进一步，所述步骤4反应时间也可以适当延长或者缩短(5
‑
30分钟)，具体根据反应规模确定。
[0016]进一步，所述步骤4反应温度也可以适当升高或者降低(350
‑
650℃)，具体根据反应规模确定。
[0017]进一步，所述步骤4反应压力也可以适当升高或者降低(20
‑
35兆帕)，具体根据反应规模确定。
[0018]本专利技术的目的在于提供了一种新型的修饰碳管的方法，能够很好的在水溶液中以一定浓度稳定悬浮，此法获得碳管表面含有丰富的表面官能团，能够有效和其他材料相互作用，制备性能优异的复合材料。
[0019]结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本专利技术所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
[0020]第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本专利技术的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本专利技术技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
[0021]本专利技术提供的使用超临界水对碳管进行氧化修饰的方法与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
[0022](1)使用了超临界水作为反应的氧化剂，提高了反应过程的安全性和环保性，且无污染性气体产生也大大保证了操作人员的身体健康。
[0023](2)本专利技术使用了水热釜作为反应容器，可以对整个反应体系进行均匀地加热。
[0024](3)由于浓硫酸和浓硝酸的混合物的氧化性过强，反应结束碳管尽管表面被修饰了大量的含氧基团，但是碳管在反应过程中也被大量打断，这极大的弱化碳管优良的导电性能。上述问题同时给产物的后处理(过滤、研磨和收集)带来了极大的的困难。对比之下，本专利技术对碳管的完整性保持较好，反应结束碳管产物颗粒较大，过滤进程大大缩短，效率大大提高。
[0025](4)本专利技术使用了较为温和环保的氧化剂来修饰碳管，产率也有大大的提高。传统方法产率一般在30
‑
60％之间，本专利技术方法产率高达85％以上。
[0026](5)本专利技术提供了一种新型的修饰碳管的方法，能够很好的在水溶液中以一定浓度稳定悬浮。在此技术方案中，此法获得碳管表面含有丰富的表面官能团，能够有效和其他材料相互作用，制备性能优异的复合材料。
[0027](6)本专利技术使用超临界状态的水作为反应剂，价格低廉，极大降低了碳管修饰过程
的成本，有利于扩大化生产。
[0028]第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本专利技术所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
[0029]本专利技术提供的方法处理的碳管可以较好的溶解于水中，制备稳定的碳管水系悬浮液；
[0030]本专利技术提供的方法随得到的碳管表面具有丰富的含氧官能团，可以增强与其他的相互作用；
[0031]本专利技术氧化修饰过的碳管可以有效和聚合物单体(吡咯、苯胺、噻吩等)复合被加工成性能更加优化的超级电容器的电极材料。
[0032]本专利技术得到的碳管及其聚合物(聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等)的复合材料都具有较好的热稳定性。
[0033]本专利技术制备的碳管可以用作3D打印能源材料的高导电性粘结剂，具有较高的导电性同时保留碳管的管状结构，可以更好地交联并包覆活性材料。
[0034]本专利技术制备的碳管可以用作制备锂金属电池的电极材料中的导电添加剂，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化修饰多壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述方法使用超临界水氧化修饰多壁碳纳米管。2.如权利要求1所述氧化修饰多壁碳纳米管的方法，其特征在于，包括以下操作步骤：步骤一，在配料室使用电子天平称取一定量的物料、超纯水、碳管，倒入干燥洁净的中釜式反应器混合均匀(碳管：超纯水＝5：25wt.％)；步骤二，检查反应系统的水源、电源和气源状态，保证反应釜系统排水、排气状态和实验室通风；步骤三，将反应釜与温度传感器装置联接并保证气密性良好；步骤四，用电热炉加热反应器,使反应系统达到反应条件；步骤五，加热到反应温度(350
‑
650
°
C)，压力稳定(20
‑
35兆帕)，经过预设的停留时间(5
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3分钟)后，关闭电加热炉，将反应釜从炉子中取出，进行空气自然冷却，待釜内温度降到250℃，放入冷却水进行水冷，接着取出进行空气冷却；步骤六，反应结束后通过过滤、离心、干燥等步骤收集处理过的碳管产品；步骤七，将反应釜在水池中清洗干净后，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏超慧，李晶泽，周爱军，汪东煌，姜继成，王欣，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：