一种氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的制备方法。该方法通过异氰酸酯将零维的二氧化硅、一维的碳纳米管和二维的氧化石墨纳米粒子复合，获得具有多维度的复合纳米粒子；对复合纳米粒子进行端基改性，获得一系列亲水、疏水、超疏水，甚至疏油、超疏油的氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料。制得的氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料可用于包括复合材料增强、复合材料功能化、表面改性和材料防水、防腐、自清洁涂层。

Method for preparing graphite oxide / silicon dioxide / carbon nanotube multi dimension composite nano material

The invention discloses a method for preparing a graphite oxide / silica dioxide / carbon nanotube multi dimension composite nanometer material. By this method, one-dimensional silica polyisocyanate zero dimensional carbon nanotubes and two-dimensional graphite oxide nanoparticles composite, composite nanoparticles have many dimensions; the composite nanoparticles was further modified to obtain a series of hydrophilic, hydrophobic and super hydrophobic, oleophobic and even superoleophobic graphite oxide / silica / carbon nanotubes multi dimension composite nano materials. The prepared graphite oxide / silica / carbon nanotube multi dimension composite nano material can be used for composite material strengthening, composite material functional, surface modification and material waterproof, anti-corrosion and self-cleaning coating.

【技术实现步骤摘要】
一种氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的制备方法
本专利技术属于复合纳米材料领域，特别涉及氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料及其制备方法。
技术介绍
纳米粒子具有较高的比表面积和优异的性能因而受到广泛的重视。从微观尺度上来看，纳米材料可分为零维的球状材料、一维的棒状或管状材料和二维的片层材料。这三种维度的材料各自具有其独特的性能和不同的应用。然而在某些特定应用中多维度的纳米材料或不同维度纳米材料的混合使用往往能够带来更加优异的性能，甚至提供意想不到的性能。目前该方面的研究较少，且多基于不同纳米粒子的混合使用。二氧化硅纳米颗粒是低成本、高强度、耐腐蚀、生物相容性良好的零维纳米粒子，且其表面容易羟基化，因而具有良好的亲水性。碳纳米管是一种具有高长径比的一维管状纳米碳材料，其具有良好的导电性和强度，且通过氧化改性可在其表面引入羧基及部分羟基。氧化石墨是近年来广泛研究的一种二维片层状纳米碳材料，还原后其具有良好的导电和导热性能，而氧化石墨表面存在着大量的羧基和羟基。因此，可以使用异氰酸酯在一定条件下将这三种粒子连接形成具有多维度结构的复合纳米粒子，从而使粒子之间的键合更加紧密，以应用于高填充量多维度纳米粒子改性，以及多维度纳米粒子表面涂覆。另外，可使用不同的化学试剂对复合粒子进行表面处理从而改变复合粒子的表面能以提高其对不同基体材料的相容性。
技术实现思路
本专利技术提供一种通过异氰酸酯接枝制备氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的方法，并通过不同的表面修饰，赋予复合纳米材料不同的表面性能。本专利技术通过异氰酸酯将零维的二氧化硅，一维的碳纳米管和二维的氧化石墨烯纳米粒子在无水溶剂中复合，获得具有多维度的复合纳米粒子，且在反应过程中根据应用需求调控不同维度的纳米粒子比例，制备具有不同性能的复合纳米材料。一种氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的制备方法，包括如下步骤：（1）将氧化石墨、二氧化硅和碳纳米管混合装入干燥的三口烧瓶，加入无水溶剂，密封，超声分散后得到复合纳米粒子；加入异氰酸酯，通入干燥氮气，加热搅拌下反应；（2）加入过量的醇或蒸馏水，保持转速，继续搅拌反应，对复合纳米粒子进行改性，并中和未发生反应的异氰酸酯；一元醇的加入使复合纳米粒子表面具有疏水、超疏水，甚至疏油、超疏油特性；而蒸馏水的加入使复合纳米粒子表面生成亲水的氨基，从而使复合纳米粒子能够在水中分散，而且保持有良好的反应活性，适用于包括表面喷涂改性；（3）反应结束后，将溶液转入离心管内进行离心，除去上层清液；加入乙醇并超声分散1~4小时，使小分子溶解，再次离心，除去上层清液；重复3~5次后，收集得到所述氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料。进一步地，步骤（1）中，所述氧化石墨、二氧化硅和碳纳米管的质量比为1:0.5~2:0.1~2。进一步地，步骤（1）中，所述无水溶剂为适合氧化石墨、二氧化硅以及碳纳米管分散且不与异氰酸酯反应的极性溶剂，包括二甲基甲酰胺或二甲亚砜。进一步地，步骤（1）中，所述超声分散的时间为1~2小时。进一步地，步骤（1）中，所述异氰酸酯包括甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯或二环己基甲烷二异氰酸酯。进一步地，步骤（1）中，所述异氰酸酯的加入是先将异氰酸酯用无水溶剂溶解后再加入；所述异氰酸酯与复合纳米粒子的质量比为5%~20%。进一步地，步骤（1）中，所述搅拌的转速为500~1000r/min。进一步地，步骤（1）中，所述反应的温度为60~80℃，反应的时间为3~12小时。进一步地，步骤（2）中，所述的醇包括长碳链一元醇、支化一元醇或氟化一元醇。更进一步地，所述支化一元醇包括异丙醇、异戊醇或新戊醇；所述长碳链一元醇包括正己醇、正庚醇或正辛醇；所述氟化一元醇包括三氟乙醇、四氟丙醇、六氟丁醇、八氟戊醇、十二氟庚醇或十三氟辛醇。进一步地，步骤（2）中，所述继续搅拌反应是在50~70℃下反应1~3小时。进一步地，步骤（3）中，所述离心的转速为4000~8000r/min，离心时间为5~15min。进一步地，步骤（3）中，所述收集的方式为真空抽滤或冷冻干燥。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：本专利技术通过异氰酸酯将零维的二氧化硅、一维的碳纳米管和二维的氧化石墨纳米粒子复合，获得具有多维度的复合纳米粒子，并通过端基改性获得一系列亲水、疏水、超疏水，甚至疏油、超疏油的多维度复合纳米材料，可用于包括复合材料增强、复合材料功能化、表面改性和材料防水、防腐、自清洁涂层。附图说明图1为实施例1中制备的异丙醇封端改性的氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的透射电子显微镜照片。图2为实施例1中制备的异丙醇封端改性的氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的X射线光电子能谱C1s曲线。图3为实施例2中制备的氨基封端改性的氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的透射电子显微镜照片。图4为实施例2中制备的氨基封端改性的氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的X射线光电子能谱C1s曲线。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术作进一步阐述，但本专利技术不限于以下实施例。实施例1（1）分别称取氧化石墨50mg、二氧化硅100mg、碳纳米管50mg，装入干燥的三口烧瓶，加入50mg无水二甲基甲酰胺，密封后超声2小时，使纳米粒子均匀分散于溶剂中；将10mg甲苯二异氰酸酯充分溶解于5ml无水二甲基甲酰胺中，再加入三口烧瓶中；向烧瓶内通入干燥氮气，加热至80℃，以500r/min搅拌反应8小时；（2）降温至60℃后，向三口烧瓶中加入10ml异丙醇，继续搅拌2小时，以对复合粒子进行改性，并中和未发生反应的甲苯二异氰酸酯；（3）将反应后的溶液移入离心管内，以5000r/min的转速离心10分钟，除去上层清液；在离心管内加入乙醇并超声分散使小分子溶解，再次离心，除去上层清液；如此反复清洗复合粒子3次后，通过真空抽滤的方法获得氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料。制备得到的氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的透射电子显微镜照片如图1所示，由图1可见三种粒子反应后通过异氰酸酯相互连接，形成形貌及尺度丰富的纳米级、亚微米级微粒。制备得到的氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料粉末的水接触角为102°。制备得到的氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的X射线光电子能谱C1s曲线如图2所示，由图2可知异丙醇封端的粒子C-C键的强度较高，说明粒子表面疏水基团的引入。实施例2（1）分别称取氧化石墨50mg、二氧化硅25mg、碳纳米管5mg，装入干燥的三口烧瓶，加入50mg无水二甲亚砜，密封后超声1小时，使纳米粒子均匀分散于溶剂中；将16mg二苯基甲烷二异氰酸酯充分溶解于5ml无水二甲基甲酰胺中，再加入三口烧瓶中；向烧瓶内通入干燥氮气，加热至60℃，以1000r/min搅拌反应3小时；（2）降温至50℃后，向三口烧瓶中加入10ml去离子水，继续搅拌1小时，以对复合粒子进行改性，并中和未发生反应的二苯基甲烷二异氰酸酯；（3）将反应后的溶液移入离心管内，以4000r/min的转速离心15分钟，除去上层清液；在离心管内加入乙醇并超声分散本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将氧化石墨、二氧化硅和碳纳米管混合装入干燥的三口烧瓶，加入无水溶剂，密封，超声分散后得到复合纳米粒子；加入异氰酸酯，通入干燥氮气，加热搅拌下反应；（2）加入过量的醇或蒸馏水，保持转速，继续搅拌反应，对复合纳米粒子进行改性，并中和未发生反应的异氰酸酯；（3）反应结束后，将溶液转入离心管内进行离心，除去上层清液；加入乙醇并超声分散1~4小时，使小分子溶解，再次离心，除去上层清液；重复3~5次后，收集得到所述氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料。

【技术特征摘要】
1.一种氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将氧化石墨、二氧化硅和碳纳米管混合装入干燥的三口烧瓶，加入无水溶剂，密封，超声分散后得到复合纳米粒子；加入异氰酸酯，通入干燥氮气，加热搅拌下反应；（2）加入过量的醇或蒸馏水，保持转速，继续搅拌反应，对复合纳米粒子进行改性，并中和未发生反应的异氰酸酯；（3）反应结束后，将溶液转入离心管内进行离心，除去上层清液；加入乙醇并超声分散1~4小时，使小分子溶解，再次离心，除去上层清液；重复3~5次后，收集得到所述氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料。2.根据权利要求1所述的一种氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述氧化石墨、二氧化硅和碳纳米管的质量比为1:0.5~2:0.1~2。3.根据权利要求1所述的一种氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述无水溶剂为适合氧化石墨、二氧化硅以及碳纳米管分散且不与异氰酸酯反应的极性溶剂，包括二甲基甲酰胺或二甲亚砜。4.根据权利要求1所述的一种氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述超声分散的时间为1~2小时。5.根据权利要求1所述的一种氧化石墨/二氧化硅/碳纳米管多维度复合纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述异氰酸酯包括甲苯二异氰...

【专利技术属性】
技术研发人员：米皓阳，经鑫，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44