一步反应合成功能化碳材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种一步反应合成功能化碳材料及其制备方法。是利用叠氮基化合物经加热分解后产生的氮宾的超强活性，与碳－碳双键发生反应，从而将有机组分共价连接于碳材料表面。碳材料不需经过传统的酸化氧化处理，而是直接与含叠氮基的化合物反应，一步法制得可溶性和分散性良好的功能化碳材料。与传统氧化法比较，具有明显的优点，如操作简单易行，可控性强，属增重反应，经济高效，经过适当工艺处理后，基本无三废，可规模化生产。还可以一步反应在碳材料表面引入羟基、氨基、羧基、溴基等反应性官能团。所得的功能化碳材料在溶剂中的分散性显著改善，可广泛应用在微纳电子、机械、化工、高性能材料等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制备功能化碳材料的方法，特别是一种一步反应合成功能 化碳材料及其制备方法。
技术介绍
碳材料一般包括石墨、金刚石、碳纳米管(carbonnanotubes,CNTs)、碳纳米 洋葱(carbonnanoonions,CNOs)、碳球、碳纤维、石墨烯(graphene)等主要由碳原 子经过SP2、 SPS杂化轨道形成的物质。根据其杂化轨道的不同和结构形貌的差 异，碳材料可以表现出完全不同而奇特的性质。如具有石墨状结构的碳材料可 能具有良好的导电性，而具有金刚石结构的碳材料则可能是绝缘体。由于性质 的不同，材料的应用领域也有所不同。 一些新近发现的碳结构和材料由于具有 独特的形貌和性能而倍受关注，如碳纳米管、碳纳米洋葱、石墨烯等。理想的 碳纳米管是由六边形排列的碳原子构成的圆管，两端或一端可以由六边形、五 边形及七边形排列的碳原子构成的端"帽"封端。根据碳原子排列的管层数，可分 为单壁碳纳米管(Single-wall Nanotube， SWNT)、双壁碳纳米管(Double-wall Nanotube， SWNT)和多壁碳纳米管(Multi-wallNanotube， MWNT)。这是一种 具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米及以上数量级)的准一 维量子材料，以其独特的电子和力学性质而具有巨大的应用价值，迅速成为物 理、化学、材料乃至生物学研究的热点。碳纳米管在超高模量纤维、平板场发 射器、储氢材料、纳米反应器、分子芯片等高科技领域有着广泛的应用前景。 石墨烯不但力学性能和电学性能优异，还可以制成很小的晶体管，为超高速计 算机芯片带来突破。但是，由于碳材料在一般溶剂中不溶解，也很难分散，使其加工困难，这 大大限制了其在很多领域的应用，也对深入了解其结构性能等关系带来不便。 因而，对其表面改性处理，制备可分散性或可溶解性碳材料越来越受到重视。现在大多采用的碳材料改性方法是强酸或强氧化剂氧化法(如J. Liu, et al., Science 1998, 280， 1253-1256)，可以在碳材料表面引入羧基，然后经过酰化等 反应可以进一步引入羟基、氨基、溴基等反应性基团(如孔浩，高超，颜德岳， 中国专利技术专利ZL2003 1 0108932.X;李文文，高超，中国专利技术专利ZL2005 1 0027731.6)，还可以进一步引发聚合，得到聚合物接枝的碳材料(如孔浩，高超，颜德岳，中国专利技术专利ZL03 1 41979.8)。这种强酸氧化法具有可靠、可重 复性等优点，在学术研究中具有重要意义。但是，这种方法也具有一些缺点， 如反应试剂为强酸或强氧化剂，对设备腐蚀性严重、三废处理麻烦，不利于规 模化生产；另外，由于强氧化作用，对材料本身的破坏性严重，如可以把碳纳 米管切割为很短的碎片等，是个失重反应，收率较低(一般小于70%)，不但不 经济，而且对材料的性能造成不良影响。因此，寻找操作简便、适宜规模化生 产的碳材料功能化方法十分重要和迫切。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，其 原理是利用叠氮基经加热或紫外光照分解后产生的氮宾的超强活性，与碳发生 反应，从而将有机组分共价连接于碳材料表面。本专利技术的技术方案如下一、 一步反应合成功能化碳材料的制备方法，以下均以重量份表示在反应器中加入1份碳材料和0.1~100份含叠氮基物质，以10~100 kHz超 声波处理0.1 100小时，在热浴100 220 。C下，反应0.1 72小时，经抽滤、离心、洗涤、干燥后，得到一步反应合成的功能化碳材料；共价连接的功能化基 的质量含量为1_70%，具有如下结构式〉N—R1—R2—R3，其中，R,选自C1 C100的直链或支链烷基、环垸基、烷氧基、垸氨基、垸酰胺基、 垸酯基、烷酮基、垸二硫基、烷硅基、烷磷酸酯基、氟烷基，吡啶基、取代吡 啶基、苯基、取代苯基、苯氧基、苯酮基、苯巯基、蒽基、取代蒽基、萘基、 取代萘基、芘基、取代芘基、茈基或取代茈基；R2选自Rp还包括C0 C100的直链或支链烷基、环垸基、烷氧基、垸氨 基、垸酰胺基、垸酯基、垸酮基、烷二硫基、烷硅基、烷磷酸酯基、氟烷基， 吡啶基、取代吡啶基、苯基、取代苯基、苯氧基、苯酮基、苯巯基、蒽基、取 代蒽基、萘基、取代萘基、芘基、取代芘基、茈基或取代茈基；R3选自R,、 R2，还包括羟基、羧基、伯氨基、仲氨基、叔氨基、季铵盐基、 溴基、氯基、碘基、巯基或双硫代碳酸酯基。所述碳材料选自碳纳米管、碳纳米球、碳纳米洋葱、碳纳米纤维、纳米金 刚石、碳黑、石墨或石墨烯。本专利技术的含叠氮基物质选自含叠氮基化合物或者化合物的混合物，其中含叠氮基化合物具有如下结构式 Na—R"!—R2—R3，其中，Ri选自C1 C100的直链或支链垸基、环烷基、烷氧基、烷氨基、烷酰胺基、 垸酯基、垸酮基、烷二硫基、垸硅基、烷磷酸酯基、氟垸基，吡啶基、取代吡 啶基、苯基、取代苯基、苯氧基、苯酮基、苯巯基、蒽基、取代蒽基、萘基、取代萘基、芘基、取代芘基、茈基或取代茈基；R2逸自Rp C0 C100的直链或支链垸基、环烷基、烷氧基、烷氨基、垸酰 胺基、垸酯基、烷酮基、烷二硫基、烷硅基、烷磷酸酯基、氟垸基、吡啶基、 取代吡啶基、苯基、取代苯基、苯氧基、苯酮基、苯巯基、蒽基、取代蒽基、 萘基、取代萘基、芘基、取代芘基、茈基或取代茈基；R3选自&、 R2，羟基、羧基、伯氨基、仲氨基、叔氨基、季铵盐基、溴基、 氯基、碘基、巯基或双硫代碳酸酯基。二、 一步反应合成的功能化碳材料功能基团与碳材料共价连接，功能基团的质量含量为1一70%，具有如下结 构式-〉n—r1—r2—r3，其中，Ri选自C1 C100的直链或支链垸基、环垸基、烷氧基、烷氨基、烷酰胺基、 烷酯基、烷酮基、垸二硫基、烷硅基、烷磷酸酯基、氟烷基，吡啶基、取代吡 啶基、苯基、取代苯基、苯氧基、苯酮基、苯巯基、蒽基、取代蒽基、萘基、 取代萘基、芘基、取代芘基、茈基或取代茈基；R2选自Rp还包括C0 C100的直链或支链垸基、环垸基、垸氧基、烷氨 基、垸酰胺基、烷酯基、烷酮基、垸二硫基、垸硅基、烷磷酸酯基、氟烷基， 吡啶基、取代吡啶基、苯基、取代苯基、苯氧基、苯酮基、苯巯基、蒽基、取 代蒽基、萘基、取代萘基、芘基、取代芘基、茈基或取代茈基；R3选自R" R2，还包括羟基、羧基、伯氨基、仲氨基、叔氨基、季铵盐基、 溴基、氯基、碘基、巯基或双硫代碳酸酯基。本专利技术与
技术介绍
相比具有的有益效果是本专利技术利用叠氮基与碳的反应，获得功能化碳材料。这种制备方法与传统 氧化法比较，具有明显的优点，如操作简单易行，可控性强，属增重反应，经 济高效，经过适当工艺处理后，基本无三废，可规模化生产。还可以一步反应 在碳材料表面引入羟基、氨基、羧基、溴基等反应性官能团。所得的功能化碳 材料在溶剂中的分散性显著改善，在微纳电子、机械、化工、高性能材料等领域有着广泛的应用。 附图说明图1是未反应的多壁碳纳米管原料的热失重曲线图(曲线la); —步反应合 成的含羟基的碳纳米管的热失重曲线图(曲线lb)，显示其连接的有机组分重量达到11%;由含羟基的碳纳米管引发甲基丙烯酸縮水甘油酯的开环聚合得到聚 合物接枝的碳纳米管的热失重曲线图(曲线lc)，显示其聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一步反应合成功能化碳材料的制备方法，其特征在于，以重量份表示的具体制备方法如下：　在反应器中加入１份碳材料和０．１～１００份含叠氮基物质，以１０～１００ｋＨｚ超声波处理０．１～１００小时，在热浴１００～２２０℃下，反应０．１～７２小时 ，经抽滤、离心、洗涤、干燥后，得到一步反应合成的功能化碳材料；共价连接的功能化基的质量含量为１－７０％，具有如下结构式：　＊－Ｒ↓［１］－Ｒ↓［２］－Ｒ↓［３］，其中，　Ｒ↓［１］选自Ｃ１～Ｃ１００的直链或支链烷基、环烷基、烷氧 基、烷氨基、烷酰胺基、烷酯基、烷酮基、烷二硫基、烷硅基、烷磷酸酯基、氟烷基，吡啶基、取代吡啶基、苯基、取代苯基、苯氧基、苯酮基、苯巯基、蒽基、取代蒽基、萘基、取代萘基、芘基、取代芘基、苝基或取代苝基；　Ｒ↓［２］选自Ｒ↓［１］，还包括 Ｃ０～Ｃ１００的直链或支链烷基、环烷基、烷氧基、烷氨基、烷酰胺基、烷酯基、烷酮基、烷二硫基、烷硅基、烷磷酸酯基、氟烷基，吡啶基、取代吡啶基、苯基、取代苯基、苯氧基、苯酮基、苯巯基、蒽基、取代蒽基、萘基、取代萘基、芘基、取代芘基、苝基或取代苝基；　Ｒ↓［３］选自Ｒ↓［１］、Ｒ↓［２］，还包括羟基、羧基、伯氨基、仲氨基、叔氨基、季铵盐基、溴基、氯基、碘基、巯基或双硫代碳酸酯基。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高超，贺洪坤，周立，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]