一種羧基化碳納米管與聚苯乙烯的複合材料的製備方法與流程

2023-11-07 04:18:47

本發明涉及一種羧基化碳納米管與聚苯乙烯的複合材料的製備方法，屬於功能化材料技術領域。

背景技術：

碳納米管(CNTs)是由單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角度捲曲而成無縫納米級管，碳納米管表面的碳原子之間是以sp2雜化方式存在，碳管兩端可認為是由半球形的富勒烯封帽形成，這種獨特的結構使得碳納米管具有很多優異的性能，例如大的長徑比和比表面積、特殊的電學性質、優異的力學性能和熱穩定性，這些特殊的性能使得多壁碳納米管作為複合材料的填充體引起廣泛的關注。然而，由於多壁碳納米管的長徑比和比表面積較大使得碳納米管具有很高的表面能，多壁碳納米管之間的範德華力作用很強，使得碳納米管之間極易相互交織在一起，形成團聚體影響碳管在溶劑或聚合物基體中的分散性，致使複合材料的性能變差。因此，要使碳管在複合材料中具有較好的分散性，製得性能更加優異的碳納米管複合材料，必須先對碳納米管進行改性修飾。

碳納米管的表面修飾：碳納米管中的碳原子主要是sp2雜化，可以發生加成反應，在碳納米管的表面連接一些功能化的基團，形成共價鍵修飾；也可以利用碳納米管中的大π鍵的結構和其他π鍵直接發生π-π堆積，形成非共價鍵修飾。由於碳納米管本身極容易發生團聚，而且不易溶於水和其他有機溶劑中，這些因素大大的限制了碳納米管的應 用。所以利用共價鍵修飾，使碳納米管表面連接一些功能化的基團，以此來提高碳納米管的溶解性和分散性，使得碳納米管更容易被應用。

加成反應修飾碳納米管，一般常見的有親電加成反應和親核加成反應。還有將苯乙烯接枝到碳納米管的表面，然後進行聚合，得到聚苯乙烯-碳納米管的複合材料。碳的親核加成，可以用穩定的碳負離子與碳納米管直接發生親核加成反應，反應中產生的負離子還可以作為聚合反應的引發劑，最終可以得到聚合物-碳納米管的複合材料，碳納米管表面的聚合物側鏈可以使得複合材料的機械性能顯著提高。也可以利用親核加成的中間體，然後加入不同的烷基和滷化物，這樣可以得到多官能團修飾的碳納米管衍生物。

隨著碳納米管的生產技術的不斷發展，碳納米管複合材料的實際應用更多的呈現在我們的生活中。諸如新型導電高分子材料、多功能聚合物複合材料、導電金屬基複合材料以及高斷裂應力陶瓷材料等。由於碳納米管的有限性和珍貴性，當今，人們仍然把研究的重點放在開發碳納米管含量低於質量分數10％的新型複合材料上。

聚苯乙烯是目前國際上應用最為廣泛的一種熱塑性塑料，呈無色透明狀。聚苯乙烯一般是通過苯乙烯單體的自由基加聚反應聚合而成的。聚苯乙烯由於有高於100攝氏度的玻璃化轉變溫度，所以經常被用來製作成塑料杯或者一次性飯盒。因為聚苯乙烯在熔融狀態時具有良好的流動性，所以常用於注射成型工藝，目前市場上出現的聚苯乙烯一般可分為通用性聚苯乙烯(GPPS)、耐衝擊性聚苯乙烯(HIPS)和發泡聚苯乙烯(EPS)。

本發明主要介紹了一種羧基化多壁碳納米管與聚苯乙烯的複合材 料的製備方法。反應中採用幾種不同羧基化含量的多壁碳納米管/PS/四氫呋喃/表面活性劑混合溶液，反應過程中採用三階段反應即溶解、分散及成膜階段，並採用溶液共混法，以THF為有機溶劑，製備出聚苯乙烯多壁碳納米管複合材料膜。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種好的羧基化含量多壁碳納米管與聚苯乙烯的複合材料的性能優越的方法。

本發明採用的技術方案是提供一種羧基化多壁碳納米管與聚苯乙烯的複合材料的製備方法，該方法步驟如下：

1)將具有一定量的羧基化多壁碳納米管(羧基含量0-8wt％、長度0.5-2μm、純度＞95wt％，)，0.1ml表面活性劑曲拉通X-100，5ml的四氫呋喃，60°攪拌1h，控制反應溫度60°超聲1h。

2)加入一定量聚苯乙烯(PS)於上述混合液種機械攪拌至完全溶解後，超聲0.5h至碳納米管完全分散均勻。

3)將混合液倒入特定的容器(法蘭墊片直徑5.5cm，高度2mm)，20min後將法蘭墊片放入水中成膜，即可得到樣品。

採用溶液共混法製備一種羧基化碳納米管與聚苯乙烯的複合材料的製備方法，所用材料為，聚苯乙烯；四氫呋喃；羧基化多壁碳納米管(羧基含量0-8wt％、長度0.5-2μm、純度＞95wt％，)；表面活性劑曲拉通X-100；

所述的方法為溶液共混法。

所述的分散多壁碳納米管方法為控制一定轉速的機械攪拌和超聲波分散並用。

所述的製備羧基化多壁碳納米管與聚苯乙烯的複合材料過程使用表面活性劑曲拉通使複合材料膜表面更加圓滑，孔結構更加明顯。

所述的製備的羧基化多壁碳納米管與聚苯乙烯的複合材料，具有一定羧基化含量的多壁碳納米管添加到聚苯乙烯中，可有效控制複合膜材料的體積密度、熱學及力學性能。

所述的製備羧基化多壁碳納米管與聚苯乙烯的複合材料當羧基含量高時，表面的孔就會隨著羧基含量的增加而變大，聚苯乙烯和多壁碳納米管之間的連接很好，表明碳納米管在聚合物中的分散性很好。

本發明的有益效果是：

1)採用超聲輔助氧化製備羧基化多壁碳納米管與聚苯乙烯的複合材料過程中，反應設備投資少，操作簡單，功能化效率高以及對多壁碳納米管的破壞程度低等優點。

2)實驗過程中分三個階段對不同羧基化含量多壁碳納米管和聚苯乙烯在THF中共混反應，縮短了實驗周期，降低了實驗成本。

3)採用機械攪拌和超聲同時進行的方式來使多壁碳納米管在THF中分散均勻，可獲得性能優越的碳納米管/聚苯乙烯的複合材料。

附圖說明

圖1是實施例1製備的不同羧基化多壁碳納米管-聚苯乙烯複合材料的掃描電鏡分析。

圖2是實施例1表面活性劑對不同羧基化多壁碳納米管-聚苯乙烯複合材料中碳管分散的影響的掃描電鏡分析。

具體實施方式

採用溶液共混法製備聚苯乙烯碳納米管複合材料的方法，以不同羧基化含量的多壁碳納米管/PS/THF/表面活性劑共混，，實驗過程通過機械攪拌溶解、分散、成膜三個階段並在分散階段採用超聲輔助碳納米管分散均勻。

下面結合實施例對本發明作進一步的描述，以使本領域的技術人員可以更好的理解本發明並能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。

實施例1

一種羧基化碳納米管與聚苯乙烯的複合材料的製備方法，該方法步驟如下：

1)羧基含量0，0.5，2，4，8wt％的多壁碳納米管，0.1ml表面活性劑曲拉通X-100，5ml的四氫呋喃，60°攪拌1h，控制反應溫度60°超聲1h。

2)分散：加入PS機械攪拌完全溶解後，超聲0.5h至碳納米管完全分散均勻。

3)成膜：將混合液倒入特定的容器(法蘭墊片直徑5.5cm，高度2mm)，20min後將法蘭墊片放入水中成膜，即可得到樣品。