一种碳材料及其制备方法、应用技术

本申请公开了一种碳材料及其制备方法、应用。该碳材料包括复合碳材料，所述复合碳材料包括碳纳米管和石墨烯；所述碳纳米管的表面经硅烷偶联剂Ⅰ接枝改性；所述石墨烯的表面经硅烷偶联剂Ⅱ接枝改性；所述碳纳米管和石墨烯通过所述硅烷偶联剂Ⅰ和硅烷偶联剂Ⅱ化学连接。该碳材料，将石墨烯及碳纳米管分别经过硅烷偶联剂接枝改性，然后化学结合，具有石墨烯与碳纳米管紧密化学结合的微观结构，因此能够在聚合物中良好分散的同时，石墨烯与碳纳米管亦能充分搭接，发挥两者的协同作用，高效构建导电网络。

【技术实现步骤摘要】
一种碳材料及其制备方法、应用
本申请涉及一种碳材料及其制备方法、应用，属于改性材料

技术介绍
使用碳纳米管及石墨烯提高聚合物材料电学性能是近年来聚合物复合材料研究的热点之一。目前，利用碳纳米管或石墨烯添加已经能够使聚合物从绝缘体变为半导体，甚至导体，由此改变了传统聚合物材料的应用前景。使用碳纳米管或石墨烯的复合材料导电性一般均符合渗流阈值理论，即：当碳纳米管与石墨烯的加入量较少时，聚合物材料整体导电性不发生显著变化，当碳纳米管或石墨烯加入一定量之后，再加入极少量的碳纳米管或石墨烯，复合材料的导电性都会提高数个数量级，呈现指数型关系。渗流阈值现象，与复合材料内部导电网络的形成有关，在临近渗流阈值之前，导电网络尚未形成，导电通道较少，材料不表现导电性，在此基础上只加入少量碳纳米管或石墨烯，也会极大促进导电网络的形成，进而使材料导电性呈指数型提高。从工业化应用角度考虑，碳纳米管及石墨烯的价格较高，大量添加必然导致材料成本的提高。而根据渗流阈值理论，聚合物材料导电性改善的关键在于在聚合物内部构建导电网络。理论上，在材料内部构建更加高效的导电网络，能够实现碳纳米管及石墨烯总体用量的减少，由此降低高导电性聚合物复合材料的整体成本。在制备导电性复合材料过程中，单独使用片层状的石墨烯或单独使用管状的碳纳米管都会因填料物理结构单一而难以实现聚合物内导电网络结构的高效建立。将石墨烯与碳纳米管并用能够构建片层与管杂合的结构，现有技术中，普遍采用碳纳米管与石墨烯简单混合后与聚合物共混的方法来实现两者的并用，该方法简便易行，也能够实现多元化结构的导电填料协同构建导电网络，但是该方法也会因石墨烯及碳纳米管在聚合物中分散不够理想，且石墨烯与碳纳米管间不存在任何结合作用，导致石墨烯与碳纳米管在聚合物中各自聚集，没有实现片层结构的石墨烯与管状结构的碳纳米管相互穿插结合，聚合物内导电网络的构建效率依旧不够理想。
技术实现思路
根据本申请的一个方面，提供了一种碳材料，将石墨烯及碳纳米管分别经过硅烷偶联剂接枝改性，然后化学结合，具有石墨烯与碳纳米管紧密化学结合的微观结构，因此能够在聚合物中良好分散的同时，石墨烯与碳纳米管亦能充分搭接，发挥两者的协同作用，高效构建导电网络。一种碳材料，所述碳材料包括复合碳材料，所述复合碳材料包括碳纳米管和石墨烯；所述碳纳米管的表面经硅烷偶联剂Ⅰ接枝改性；所述石墨烯的表面经硅烷偶联剂Ⅱ接枝改性；所述碳纳米管和石墨烯通过所述硅烷偶联剂Ⅰ和硅烷偶联剂Ⅱ化学连接。具体地，本申请提供的碳材料由改性碳纳米管和改性石墨烯制备得到；所述改性碳纳米管为经硅烷偶联剂Ⅰ改性的碳纳米管；所述改性石墨烯为经硅烷偶联剂Ⅱ改性的石墨烯；所述改性碳纳米管与所述改性石墨烯之间，通过所述硅烷偶联剂Ⅰ和硅烷偶联剂Ⅱ化学连接。可选地，所述硅烷偶联剂Ⅰ包括氨基硅烷偶联剂中的任一种；所述硅烷偶联剂Ⅱ包括缩水甘油醚氧基硅烷偶联剂中的任一种。本申请设计了一种在首先进行碳纳米管及石墨烯表面接枝处理，然后通过接枝在碳纳米管表面的氨基基团与接枝在石墨烯表面的缩水甘油醚氧基基团进行开环反应，将石墨烯与碳纳米管化学结合，最终制备成碳材料(导电填料)。本申请通过化学结合石墨烯及碳纳米管的导电填料经过硅烷偶联剂接枝改性，还具有石墨烯与碳纳米管紧密化学结合的微观结构，因此能够在聚合物中良好分散的同时，石墨烯与碳纳米管亦能充分搭接，发挥两者的协同作用，高效构建导电网络。可选地，所述氨基硅烷偶联剂选自具有式Ⅰ所示结构式的物质中的至少一种；NH-(CH2)n-Si-Xa3式Ⅰ在式Ⅰ中，n的取值范围为2≤n≤8，Xa表示烷氧基。具体地，在式Ⅰ中，Xa表示C1～C5烷氧基。可选地，氨基硅烷偶联剂包括氨丙基三乙氧基硅烷、氨丙基三甲氧基硅烷、氨戊基三乙氧基硅烷、氨丁基三甲氧基硅烷、氨己基三乙氧基硅烷中的任一种。可选地，所述缩水甘油醚氧基硅烷偶联剂选自具有式Ⅱ所示结构式的物质中的至少一种；在式Ⅱ中，m的取值范围为2≤n≤8，Xb表示烷氧基。具体地，在式Ⅱ中，Xb表示C1～C5烷氧基。可选地，缩水甘油醚氧基硅烷偶联剂选自缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、缩水甘油醚氧基丁基三乙氧基硅烷、缩水甘油醚氧基己基三甲氧基硅烷、缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷、缩水甘油醚氧基戊基三乙氧基硅烷中的任一种。可选地，所述碳材料包括经表面活性剂改性的复合碳材料。可选地，所述表面活性剂包括聚氧乙烯醚类表面活性剂。聚氧乙烯醚类乳化剂具有水-油两亲性，能够吸引水相中的有机组分向乳化剂液滴聚集，由此增加改性后碳纳米管及石墨烯的相互碰撞，增大碳纳米管表面的氨基硅烷偶联剂与石墨烯表面的缩水甘油醚氧基反应可能。同时，聚醚类表面活性剂可以利用其聚醚结构，与碳纳米管及石墨烯表面的羟基间形成氢键作用，以此对碳纳米管及石墨烯进行包覆改性，使碳纳米管与石墨烯易于在聚合物中快速分散。可选地，所述聚氧乙烯醚类表面活性剂包括吐温、脂肪醇聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚中的至少一种。根据本申请的另一方面，还提供了上述任一项所述的碳材料的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：S100、对碳纳米管进行酸化处理、硅烷偶联剂Ⅰ改性，得到改性碳纳米管；S200、对石墨烯进行酸化处理、硅烷偶联剂Ⅱ改性，得到改性石墨烯；S300、将含有所述改性碳纳米管和改性石墨烯的溶液，反应，即可得到所述碳材料。可选地，所述步骤S100包括：S100-1、对碳纳米管进行酸化处理，得到酸化碳纳米管；S100-2、将硅烷偶联剂Ⅰ溶于溶剂Ⅰ中，水解，得到碳纳米管改性溶液；S100-3、将所述酸化碳纳米管加入所述碳纳米管改性溶液中，改性，即可得到所述改性碳纳米管。可选地，S100-2中，在碳纳米管改性溶液中，硅烷偶联剂Ⅰ的含量为10～25wt％。优选地，S100-2中，在碳纳米管改性溶液中，硅烷偶联剂Ⅰ的含量为10～20wt％。可选地，S100-3中，酸化碳纳米管的加入量为碳纳米管改性溶液的0.01～20wt％。本申请通过酸化处理，碳纳米管表面出现羟基(-OH)与羧基(-COOH)基团，为其进行表面接枝改性处理提供了结构基础。水解后的偶联剂硅氧烷基团转化为硅羟基，具备与碳纳米管表面羟基(-OH)与羧基(-COOH)基团反应的能力。在步骤S100-1中，包括将碳纳米管加入到混合酸溶液中，在50-70℃下，以15-40kHz的频率超声振荡2-8小时，之后离心，分离出底层黑色的碳纳米管，清洗，将悬浊液PH值调至6以上后，烘干，得到酸化碳纳米管。混合酸选自硝酸、硫酸、盐酸、醋酸中的至少两种。在步骤S100-2中，包括配置含有醇和水的溶剂Ⅰ，调节pH至4～5，向溶剂Ⅰ中加入硅烷偶联剂Ⅰ，将其升温至50-80℃，以500-1500rpm的速度搅拌的同时配合10-25KHz本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳材料，其特征在于，所述碳材料包括复合碳材料，所述复合碳材料包括碳纳米管和石墨烯；/n所述碳纳米管的表面经硅烷偶联剂Ⅰ接枝改性；/n所述石墨烯的表面经硅烷偶联剂Ⅱ接枝改性；/n所述碳纳米管和石墨烯通过所述硅烷偶联剂Ⅰ和硅烷偶联剂Ⅱ化学连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳材料，其特征在于，所述碳材料包括复合碳材料，所述复合碳材料包括碳纳米管和石墨烯；
所述碳纳米管的表面经硅烷偶联剂Ⅰ接枝改性；
所述石墨烯的表面经硅烷偶联剂Ⅱ接枝改性；
所述碳纳米管和石墨烯通过所述硅烷偶联剂Ⅰ和硅烷偶联剂Ⅱ化学连接。


2.根据权利要求1所述的碳材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂Ⅰ包括氨基硅烷偶联剂中的任一种；
所述硅烷偶联剂Ⅱ包括缩水甘油醚氧基硅烷偶联剂中的任一种。


3.根据权利要求1所述的碳材料，其特征在于，所述氨基硅烷偶联剂选自具有式Ⅰ所示结构式的物质中的至少一种；
NH-(CH2)n-Si-Xa3式Ⅰ
在式Ⅰ中，n的取值范围为2≤n≤8，Xa表示烷氧基；
所述缩水甘油醚氧基硅烷偶联剂选自具有式Ⅱ所示结构式的物质中的至少一种；



在式Ⅱ中，m的取值范围为2≤n≤8，Xb表示烷氧基。


4.根据权利要求1所述的碳材料，其特征在于，所述碳材料在使用表面活性剂的液相中反应制备得到。


5.根据权利要求4所述的碳材料，其特征在于，所述表面活性剂包括聚氧乙烯醚类表面活性剂，优选的，所述聚氧乙烯醚类表面活性剂包括吐温、脂肪醇聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚中的至少一种。


6.权利要求1至5任一项所述的碳材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤：
S100、对碳纳米管进行酸化处理、硅烷偶联剂Ⅰ改性，得到改性碳纳米管；
S200、对石墨烯进行酸化处理、硅烷偶联剂Ⅱ改性，得到改性石墨烯；
S300、将含有所述改性碳纳米管和改性石墨烯的溶液，反应，即可得到所述碳材料；
优选的，所述步骤S100包括：
S100-1、对碳纳米管进行酸化处理，得到酸化碳纳米管；
S100-2、将硅烷偶联剂Ⅰ溶于溶剂Ⅰ中，水解，得到碳纳米管改性溶液；
S100-3、将所述酸化碳纳米管加入...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙福伟，孙清友，
申请(专利权)人：江苏清大际光新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32