碳纳米管表面大气压、常温等离子体改性的处理方法技术

本发明专利技术涉及碳纳米管表面大气压、常温等离子体改性的处理方法，包括：将碳纳米管置于等离子体处理设备的专用传输装置上，在大气压，开放环境下，直接将等离子体喷射到碳纳米管表面，使碳纳米管在等离子体氛围中运动，处理功率为１０Ｗ－５０００Ｗ，时间为０．０１ｓ－６０００ｓ，产生碳纳米管表面改性。本发明专利技术方法在大气压和常温下可一步直接改善碳纳米管的表面性质、结构和形态，工艺可控性强，改换工艺简单、干法加工工艺对环境的污染小；发明专利技术所得碳纳米管颗粒表面产生同性相斥的效果，达到减少纳米颗粒团聚的可能性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属碳纳米管材料的改性制备领域，特别是涉及碳纳米管表面大气压、常温等离 子体改性的处理方法。
技术介绍
由于纳米材料具有尺寸效应、表面效应、量子效应、宏观量子隧道效应等特性，从而 在光学、力学、电学、磁学等方面表现出不同于一般宏观材料的显著特征，近年来得到迅 速发展。碳纳米管具有独特的拓扑结构,以及比强度高、轴向膨胀系数低、独特的导热性能和导 电性能等被认为是一种性能优异的新型功能材料和结构材料，碳纳米管具有独特的结构、电 学、光学、磁学和机械性能，在电池、扫描探针显微镜、纳米电子装置、平板场发射装置 和分子计算机等领域具有广阔的应用前景。目前合成碳纳米管的方法很多，但无论哪种方法制备的碳纳米管都伴随有无定形碳颗粒、无定形碳纤维和石墨颗粒等杂质，这些杂质与碳纳 米管混杂在一起,且化学性质相近，不但影响所得复合材料的性能,而且也使其性能的测试受 到很大的阻碍。因此，对碳纳米管进行有效的表面改性已成为碳纳米管应用的前提。 目前在开发高性能碳纳米管纳米复合材料方面主要有以下两个难题(1) 能否在基体中均匀分散碳纳米管；(2) 如何增强碳纳米管与基体间的界面作用力以便将载荷有效地从基体转移给碳 纳米管。在没有化学键的作用下，碳纳米管和基体间的载荷转移主要依靠静电作用和范德华力 的相互作用来实现.但是功能化的碳纳米管和高聚物基体之间的化学键连接可以更有效地 实现载荷转移.在碳纳米管表面进行化学改性有三种不同的方法(1) 在碳纳米管壁上添加官能团；(2) 在缺陷部位进行功能化.(3) 碳纳米管进行酸处理，即将碳纳米管在硝酸中回流或将其在硫酸与硝酸的混 合物中超声震荡，将羧基引入碳纳米管。带有羧基的碳纳米管与SOC12反应，将羧基转化 为酰氯；酰氯再进一步与氨基或羟基化合物反应，生成新的改性碳纳米管。常温、常压等离子体化学气相沉积、离子注入、溅射、等离子喷涂、化学聚合、阳极 氧化等技术已在航空航天、电子、机械等领域中获得广泛应用。近年来这一新的表面处理技术在纳米工程技术中发挥着越来越大的作用。常温、常压等离子体是指部分或全部离子化的气体，包括电子、离子，还包括自由基 和光子等高能活性成分。常温、常压等离子体具有高能、高速、高活性的优点。非平衡态 常温、常压等离子体中电子温度与离子温度间的平衡关系不成立，常温、常压等离子体可 兼备使分子、原子有效激发并保存物质基体分子不被损伤的特色；在材料表面性能改善的 同时，基体性能不受影响；通过适当选择形成等离子体的气体种类和等离子体化学条件.能 够对材料表面层的化学结构和物理结构进行特种目的的改性，而且能够实现传统化学反应 所不能实现的反应。采用等离子体处理技术对碳纳米管表面进行改性研究为碳纳米管的下一步应用提供 了科学基础和强有力的的技术支撑。在等离子体处理过程中，所产生的加速电子、离子以及 自由基与碳纳。米管表面发生碰撞及相互作用,必定会对其形貌产生影响。未处理前,碳纳 米管表面有一些无规排列的无定形碳，经过等离子体处理后，表面无定形碳逐渐聚集形成束 状，并随着处理时间延长束状结构更明显。同时，在侧壁发现粘附有颗粒状物质。在氩气等 离子体中,也发现等离子体对碳纳米管的刻蚀效应所引起的形貌变化。氩离子对碳纳 米管进行不断轰击,刻蚀掉一些无定形碳颗粒及催化剂颗粒,并使碳纳米管折断,长度变小， 起到了一定的清洁碳纳米管表面的目的。在高温氢气等离子体中，发现碳纳米 管会发生体积膨胀,顶部出现"onion"(洋葱状)结构。在高温H2等离子体中，多壁碳纳米 管会发生相变,生成纳米钻石晶体,并随着时间的增加,在等离子体处理过程中,所产生的加 速电子、离子以及自由基与碳纳米管表面发生碰撞及相互作用,必定会对其形貌产生影响。 未处理前，碳纳米管表面有一些无规排列的无定形碳,经过等离子体处理后,表面无定形碳逐 渐聚集形成束状，并随着处理时间延长束状结构更明显。同时,在侧壁发现粘附有颗粒状物 质。但利用大气压、常温等离子体对碳纳米管表面改性的技术未见专利报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供碳纳米管表面大气压、常温等离子体改性的处理方 法，本方法为干法改性，在大气压和室温、开放的环境下可一步直接获得纳米碳纳米管表 面的改性。本专利技术的，包括 将碳纳米管置于等离子体处理设备的专用传输装置上，在大气压，开放环境下，直接将等离子体喷射到碳纳米管表面，使碳纳米管在等离子体氛围中运动，处理功率为10W-5000W，时间为0.01s-6000s，产生碳纳米管表面改性。所述的碳纳米管为市售的商品。所述的等离子体选自氦气、氩气或功能性气体中的一种或几种，其中氦气、氩气摩尔 比为50%-99.99%，功能性气体为0.001 30%，同时流经等离子体形成区形成等离子体氛 围。所述的氦气或氩气的纯度为99.99%。所述的功能性气体为S02、氨气、氧气、氢气、氮气、四氟化碳、二氧化碳、甲垸(CH4)、 乙烷(C2H6 )、丙垸(C3H8)、 丁垸(C4H10)、戊垸(C5H12)、己垸(C6H14)、庚烷(C7H16)、 辛垸(C8H18)、壬垸(C9H20)、癸烷(C10H22)、十一烷(C函4)、十二烷(C12H26)、十 三垸(C13H28)、乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6)、 丁烯(C4H8)、戊烯(C5H10)、己烯(C6H12)、 丙二烯(C3H4)、 丁二烯(C4H6)、异戊二烯(C5H8)、己三烯(C6H8)、乙炔(C2H2)、丙 炔(C3H4)、 丁炔(C4H6)、戊炔(C5H8)、己炔(C6H10)、庚炔(C7H12)、辛炔(C8H14)、 壬炔(C9H16)、癸炔(C1()H18)、十一炔(CnH加)、四氟乙烯和硅垸、各种硅氧垸气体、丙 烯酸，甲基丙烯酸的蒸汽或它们组合气体。所述的在喷射等离子体氛围前提下将碳纳米管表面按不同要求的需求进行表面改性。 所述的改性碳纳米管应用于高分子材料改性、高分子复合材料改性以及纤维。 在大气压、常温等离子体改性的处理方法改善碳纳米管表面性能的体系中，主要包括 由等离子体产生高能活性粒子、碳纳米管表面被刻蚀或激活、接枝等使碳纳米管表面产生 同性相斥的效果。在喷射等离子体氛围前提下形成自由基并由此引发进一步的自由基引起 的碳纳米管表面与其他材料和组分在一定条件下形成自由基接枝反应而得到的碳纳米管 表面改性，以及由于等离子体引发的碳纳米管表面自由基引起的自由基聚合即等离子体引 发原子转移自由基聚合(ATRP)。等离子体碳纳米管表面改性为干法改性，主要采用以上所 述的气体以及它们的混合气体，利用大气压、常温等离子体设备产生的等离子体对碳纳米 管进行表面处理。等离子体表面改性方法通常一步完成，通过调整形成等离子体的气体组 分、配比可以实现对不同物性材料的相容性的提高。有益效果(1) 本专利技术方法工艺可控性强，改换工艺简单、工艺流程短，无需后处理，并且自动化 程度高，能耗低、连续运作，容易实现工业化大规模生产且对环境的污染小；(2) 本专利技术所得碳纳米管表面产生同性相斥的效果，达到减少纳米颗粒团聚的可能性；(3) 本专利技术所得碳纳米管颗粒内部结构不被破坏，其纳米晶体颗粒均匀度且粒径分布范5围变窄，在相关材料中的分散性提高，与相应高分子的结合性能提高本文档来自技高网...

【技术保护点】
碳纳米管表面大气压、常温等离子体改性的处理方法，包括：　将碳纳米管置于等离子体处理设备的专用传输装置上，在大气压，开放环境下，直接将等离子体喷射到碳纳米管表面，使碳纳米管在等离子体氛围中运动，处理功率为１０Ｗ－５０００Ｗ，时间为０．０ １ｓ－６０００ｓ，产生碳纳米管表面改性。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张迎晨，吴红艳，邱夷平，
申请(专利权)人：东华大学，中原工学院，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]