一种纳米管聚合物功能材料的合成方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米管聚合物功能材料的合成方法，该方法具体包括以下步骤：(1)以高纯纳米管为前体原料，在保护气氛围下装于模具中，并采用压片机压制成预压坯，随后将预压坯封装入高压模具中；(2)将高压模具安放到高压设备上，在压力为1～50GPa，温度为20～2500℃条件下，保温5～300min；(3)冷却卸压，降温速率为1～100℃/min，卸压速率为0.1～100MPa/min，将产物取出并进行表面处理，获得纳米管聚合物材料。与现有技术相比，本发明专利技术工艺简单，可重复性强，有望工业化生产和应用，具有重要的现实价值和研究意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料学和物理学交叉领域，具体涉及了一种纳米管聚合物功能材料的 合成方法。
技术介绍
自从日本科学家Iijima于1991年首次发现碳纳米管（CNTs)，这种准一维碳材料 以其独特的电学、化学和机械性能显示出重要的理论研究和实际应用价值，从而在世界范 围引发了对其广泛的研究热潮并促进了纳米科技的飞速发展（MichaelF.L.DeVoideret al.Science，2013, 339, 535-539)。研究表明，碳纳米管在轴向上的强度约为钢的100倍，但 由于其径向形成的是类似石墨层的结构而容易滑动，导致沿其径向的强度不高，极大的限 制了CNTs作为超强度材料的应用。针对这一缺点，研究人员采用高温高压法对碳纳米管束 进行聚合，在温度低于1500°C，压力小于20GPa就使碳纳米管中碳原子由全sp2杂化方式部 分或全部地转变成sp3杂化方式，形成已知的碳相或新奇的三维碳纳米管聚合物（如Popov etal.Phys.Rev.B2002,65, 33408;Khabasheskuetal.Phys.Chem.B2002,106,11155 ; Kumaretal.Diam.Relat.Mater. 2007,16,1250;Wangetal.PNAS. 2004,101，13699)。另 夕卜，实验合成的碳纳米管聚合物还具有一些奇异的性质，如高的硬度和弹性模量，奇特的导 电性能等。 高温高压法是一种有效的合成新型碳纳米管聚合物的方法。目前，许多结构相似 且具有较大管径尺寸范围的纳米管材料已被成功的制备出来，如一元Si、Ge纳米管，多元 SiC、BN、ZnO、MoS2、CdS、CdTe、Si02、Ti02和BCN纳米管等。且它们的物理、化学性质与相 应的块体材料存在极大的差异。尽管对这些纳米管聚合物的广泛的研究并没有展开，采用 高温高压法制备纳米管聚合物无疑是当前和未来一种切实可行的合成新的具有特殊的力、 热、电、光、磁等性能的材料的方法。所得纳米管聚合物可作为潜在的新型光电、热电、磁电 等材料，具有广阔的应用前景。 本专利技术旨在通过调控合成工艺中两个重要的热力学参数，温度和压力，来探索合 成纳米管聚合物的最佳条件。目前工业压机设备能够达到合成纳米管聚合物材料的条件， 有望实现工业化生产，且对后续的新型功能材料合成及应用具有重要参考价值。截至目前， 尚未见合成纳米管聚合物功能材料的相关专利报道。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有合成方法存在的不足之处而提供一种方法 简单、有效的纳米管聚合物的合成方法。 本专利技术目的可以通过以下技术方案来实现：一种纳米管聚合物功能材料的合成方 法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤： (1)以高纯纳米管为前体原料，将其在保护气氛围下装于模具中，并采用压片机压 制成预压坯，随后将预压坯封装入高压模具中； (2)将高压模具安放到高压设备上，在压力为1?50GPa，温度为20?2500°C条件 下，保温5?300min; (3)冷却卸压，降温速率为1?100°C/min，卸压速率为0. 1?100MPa/min，将产 物取出并进行表面处理，获得纳米管聚合物材料。 步骤⑴中所述的纳米管可以是粉末、颗粒或块体；纳米管的材料为一元纳米管 材料或多元纳米管材料，纳米管的纯度>95.0%，纳米管管径为5 平均颗粒尺寸 为400?100目。 所述的一元纳米管材料包括Si或Ge纳米管，所述的多元纳米管材料包括SiC、BN、 ZnO、MoS2、CdS、CdTe、Si02、Ti02、BCN或其它已知的纳米管，纳米管的纯度> 99. 9%，优选> 99. 99%。 步骤（1)中所述的保护气为真空或惰性气体，气压小于O.IMPa，温度为20? 40°C，能够尽量减少在操作过程中因前体材料吸水、氧化等带来的影响。 步骤（1)中所述的模具内设有一层保护套内衬，保证纳米管的粉末或颗粒能被压 成块状，压片机压力为5?lOOOMPa。 步骤（1)或步骤⑵中所述的高压模具是由传压介质、加热体、保温套和保护套组 成的模块。 所述的传压介质的材料为叶蜡石或MgO,所述的加热体的材料为石墨、Re或 LaCr03，所述的保温套的材料为Zr02，所述的保护套的材料为BN、Ta或石墨。 步骤（3)中所述的降温速率、卸压速率的选择取决于纳米管材料的性质以及退火 工艺的要求。 步骤（3)中所述的样品处理可包括采用各种物理、化学方法去掉样品表面的污物 或进行表面修饰，纳米管聚合物可在表面处理后研磨成粉体，取决于使用要求。 本专利技术合成纳米管聚合物功能材料的工艺具有以下优点： (1)高压手段的运用，能够获得在常压下难以合成的材料； (2)预压坯在保护气氛围中压制，可避免杂质引入； (3)合成工艺参数可精确调控，可重复性强； (4)工业压机可以满足温度小于2500°C，压力低于lOGPa的条件，有望实现工业化 生产。 【附图说明】 图1为一种一元纳米管的结构示意图； 图2为一种一元纳米管聚合物的结构示意图； 图3为一种二元纳米管的结构示意图； 图4为一种二元纳米管聚合物的结构示意图。 【具体实施方式】 下面将结合具体实施例对本专利技术作详细描述，本专利技术将提供以下实施例，但应指 出，本专利技术的实施不局限于以下实施方式。 材料 下述实施例中所用的高纯纳米管原料均购自AlfaAesar公司。 实施例1 : ，该方法详细步骤如下： 将纯度为98. 0%的Si纳米管粉末（结构示意图参见图1)在氩气氛围保护下装于 模具中，气压小于〇.IMPa，温度范围为20?40°C，并采用压片机在小于lOOOMPa下压制成 预压坯。随后将预压坯放入由叶蜡石、石墨、Zr02和BN坩埚配合组成的高压模具中，以上操 作在手套箱中进行。将高压模具置于六面顶型压机中进行高压合成，先加压至lGPa，然后加 温至l〇〇〇°C，反应温度一般低于材料的熔点，保温60min。接下来以10°C/min的速率降温 至常温，再以5MPa/min的速率卸压至常压。将样品取出并酸洗、干燥除去表面的污物，获得 Si纳米管聚合物材料（结构示意图参见图2)。 实施例2 : ，该方法详细步骤如下： 将纯度为98. 0%的Si纳米管粉末在氩气氛围保护下装于模具中，气压小于 0.IMPa，温度范围为20?40°C，并采用压片机在小于lOOOMPa下压制成预压坯。随后将预 压坯放入由叶蜡石、石墨和BN坩埚配合组成的高压模具中，以上操作在手套箱中进行。将 高压模具置于六面顶型压机中进行高压合成，先加压至4GPa，然后加温至60(TC，反应温度 一般低于材料的烙点，保温30min。接下来以10°C/min的速率降温至常温，再以5MPa/min 的速率卸压至常压。将样品取出并酸洗、干燥除去表面污物，获得Si纳米管聚合物材料。 实施例3 : -种纳米管聚合物功能材料的合成方法，该方法详细步骤如下： 将纯度为98. 0%的Si纳米管粉末在氩气氛围保护下装于模具中，气压小于 0.IMPa，温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米管聚合物功能材料的合成方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：(1)以高纯纳米管为前体原料，将其在保护气氛围下装于模具中，并采用压片机压制成预压坯，随后将预压坯封装入高压模具中；(2)将高压模具安放到高压设备上，在压力为1～50GPa，温度为20～2500℃条件下，保温5～300min；(3)冷却卸压，降温速率为1～100℃/min，卸压速率为0.1～100MPa/min，将产物取出并进行表面处理，获得纳米管聚合物材料。

【技术特征摘要】
1. 一种纳米管聚合物功能材料的合成方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤： (1) 以高纯纳米管为前体原料，将其在保护气氛围下装于模具中，并采用压片机压制成 预压坯，随后将预压坯封装入高压模具中； (2) 将高压模具安放到高压设备上，在压力为1?50GPa，温度为20?2500°C条件下， 保温5?300min ; (3) 冷却卸压，降温速率为1?100°C /min，卸压速率为0. 1?100MPa/min，将产物取 出并进行表面处理，获得纳米管聚合物材料。2. 根据权利要求1所述的纳米管聚合物功能材料的合成方法，其特征在于，步骤⑴中 所述的纳米管可以是粉末、颗粒或块体；纳米管的材料为一元纳米管材料或多元纳米管材 料，纳米管的纯度> 95. 0%，纳米管管径为5 A~1 pm?平均颗粒尺寸为400?100目。3. 根据权利要求2所述的纳米管聚合物功能材料的合成方法，其特征在于，所述的一 元纳米管材料包括Si或Ge纳米管，所述的多元纳米管材料包括SiC、BN、ZnO、MoS 2、CdS、 CdTe、SiO2、Ti02、BCN或其它已知的纳米管，纳米管的纯度> 99. 9%，优选> 99. 99%。4. 根据权利要求1所述的纳米管聚合物功能材料的合成方...

【专利技术属性】
技术研发人员：万锕俊，翟进辉，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31