一种CNTs复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及复合材料技术领域，具体而言，涉及一种CNTs复合材料及其制备方法和应用，所述CNTs复合材料主要由聚苯乙烯和改性CNTs复合而成，所述改性CNTs的含量为所述聚苯乙烯的5wt％‑20wt％，所述改性CNTs为CNTs经酸化后由聚3‑己基噻吩改性而成，所述CNTs与聚3‑己基噻吩的质量比为1：(0.1‑0.6)。本发明专利技术使用聚3‑己基噻吩对酸化后的CNTs进行非共价改性，再与聚苯乙烯进行混合，最后利用涂布干燥法对CNTs取向形成导热通路，最大程度地保留了CNTs材料结构的完整性，有效改善CNTs与聚苯乙烯之间的界面相容性，降低界面热阻，增加CNTs对提高复合材料热导率的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种CNTs复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及复合材料
，具体而言，涉及一种CNTs复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
电子器件运行时不可避免地会放出大量热量，而电子器件温度过高会影响其工作稳定性和可靠性，而且会大幅度降低电子器件的使用年限，严重时还会使电子器件遭到损坏。聚苯乙烯具有良好的电性能，其体积电阻率和表面电阻率分别高达1016-1018Ω·cm和1015-1018Ω·cm，是优异的绝缘材料以适用于制备电子器件的基架结构，但是纯聚苯乙烯的导热率较低，为此人们往往在聚苯乙烯中加入高导热填料进行复合，由此获得高热导率的复合材料。碳纳米管(CNTs)具有较高的长径比，其质量轻、柔韧性好，同时又具备优秀的力学、电学和高热导率[2000W/(m·k)-3000W/(m·k)]，是一种高热导率填料的合适选择。现有复合材料的制备方法是将填料与聚苯乙烯进行简单共混，然而，CNTs的管与管之间易缠绕团聚，很难在聚苯乙烯中分散开，导致CNTs与聚苯乙烯的界面相容性较差，两者之间的界面热阻较大，由此CNTs对复合材料的热导率的提高效果非常有限。为此，人们通过对CNTs的共价改性，在CNTs表面引入新的功能化基团与聚苯乙烯之间形成新的化学键，其虽然可以有效降低界面热阻，但也会破坏CNTs本身的导热性能，由此CNTs依旧无法有效提高复合材料的热导率。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是如何改善CNTs在聚苯乙烯中的分散性，降低CNTs与聚苯乙烯之间的界面热阻，获得高热导率的CNTs复合材料。为解决上述问题，本专利技术提供一种CNTs复合材料，主要由聚苯乙烯和改性CNTs复合而成，所述改性CNTs的含量为所述聚苯乙烯的5wt％-20wt％，所述改性CNTs为CNTs经酸化后由聚3-己基噻吩改性而成，所述CNTs与聚3-己基噻吩的质量比为1：(0.1-0.6)。进一步地，所述CNTs依次经浓H2SO4和浓HNO3进行酸化。进一步地，所述浓H2SO4和所述浓HNO3的体积比为1:1。进一步地，所述CNTs为多壁碳纳米管。本专利技术还提供一种CNTs复合材料的制备方法，适于制备如上所述的CNTs复合材料，包括以下步骤：取适量CNTs进行酸化，制得CNTs酸化物；将聚3-己基噻吩放入溶剂中搅拌至完全溶解，制得聚3-己基噻吩溶液；按设定质量比称取所述CNTs酸化物放入所述聚3-己基噻吩溶液中，依次经搅拌和离心后收获沉淀物，烘干所述沉淀物得到改性CNTs；称取聚苯乙烯放入容器中，滴加溶剂后于水浴环境中搅拌至完全溶解，制得聚苯乙烯溶液；将所述改性CNTs放入所述聚苯乙烯溶液中混合均匀，制得混合料；将所述混合料涂布在玻璃板上，待所述混合料干燥至形成薄膜，将所述薄膜从玻璃上剥离，烘干后即得所述的CNTs复合材料。进一步地，所述取适量CNTs进行酸化的具体步骤为：将CNTs放入烧瓶中，加入浓H2SO4磁力搅拌0.8h-1.5h后，在冰浴条件下超声25min-40min，再加入浓HNO3磁力搅拌0.4h-0.6h后，置于80℃的油浴锅中回流搅拌0.8h-1.2h，然后装入离心管，于8000rpm离心7min-10min，收获沉淀物洗涤至中性，烘干沉淀物即得所述CNTs酸化物。进一步地，所述将聚3-己基噻吩放入溶剂中搅拌至完全溶解的步骤中，所述溶剂为三氯甲烷。进一步地，所述按设定质量比称取所述CNTs酸化物放入所述聚3-己基噻吩溶液中，依次经搅拌和离心后收获沉淀物，烘干所述沉淀物得到改性CNTs的步骤中，所述搅拌条件为室温下搅拌2-3天，所述离心条件为8000rpm离心3次，每次离心8min-12min，所述沉淀物的烘干温度为55℃-65℃。进一步地，所述称取聚苯乙烯放入容器中，滴加溶剂后于水浴环境中搅拌至完全溶解的步骤中，所述溶剂为甲苯，所述水浴温度为55℃-65℃。本专利技术还提供一种CNTs复合材料的应用，将如上所述制备方法制备的CNTs复合材料用于电子器件中。所述CNTs复合材料的应用与上述CNTs复合材料相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。与现有技术相比，本专利技术的优异效果是：1、本专利技术使用聚3-己基噻吩对酸化后的CNTs进行非共价改性，最大程度地保留了CNTs材料结构的完整性，有效改善了CNTs在聚苯乙烯中的分散性，同时聚3-己基噻吩和酸化的CNTs之间通过π-π非共价作用力降低了两者之间的界面热阻，降低了声子散射，进而使得CNTs对提高复合材料热导率的效果得以显著增加；2、本专利技术在制备CNTs复合材料时，先用强酸对CNTs进行羧基化，然后用聚3-己基噻吩对CNTs进行非共价改性，再与聚苯乙烯进行混合，最后利用涂布干燥法对CNTs取向形成导热通路，其不但能有效改善CNTs与聚苯乙烯之间的界面相容性，降低两者之间的界面热阻，还能促使CNTs的高热导率得以有效发挥，进一步增加CNTs对提高复合材料热导率的效果；3、本专利技术的复合材料由于聚3-己基噻吩的热导率高于多数高分子材料的热导率，因此聚3-己基噻吩对改性CNTs的热导率的影响相对较小，由此能够保证CNTs复合材料具有较高的热导率。附图说明图1为本专利技术实施例的CNTs复合材料的制备流程图；图2为本专利技术实施例的CNTs复合材料的流程介绍图图3为本专利技术中未改性的CNTs、经酸化处理的CNTs以及聚3-己基噻吩改性经酸化处理的CNTs在甲苯中混合并静止一周后的状态图，从左往右依次与x、y、z相对应。附图标记说明：a-MWCNTs；b-CNTs酸化物；c-改性CNTs；d-CNTs复合材料。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本专利技术做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本专利技术的实施方法和典型参数，而不用于限定本专利技术所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本专利技术权利要求的保护范围内。本专利技术实施例公开一种CNTs复合材料，主要由聚苯乙烯和改性CNTs复合而成，改性CNTs的含量为聚苯乙烯的5wt％-20wt％，改性CNTs为CNTs经酸化后由聚3-己基噻吩改性而成，CNTs与聚3-己基噻吩的质量比为1：(0.1-0.6)。其中，本专利技术的聚苯乙烯为市售产品，具体购自上海阿拉丁生化科技有限公司，CAS号为9003-53-6，纯度为98％。本实施例的CNTs优选为多壁碳纳米管(MWCNTs)，由于多壁碳纳米管的管壁上通常布满小洞样的缺陷，浓酸可以渗入其管内进行酸化，因此多壁碳纳米管的酸化效果相对于单壁碳纳米管的更为优异，进而使得多壁碳纳米管与聚苯乙烯的复合更为牢固，有效降低两者之间的界面热阻。本专利技术的CNTs具体购自渝时兴科技有限公司，CAS号为308068-56-6，纯度＞99.9％，内径为5-15nm，外径＞50nm，长度为10-20μm。本专利技术上下文本中的浓H2SO4和浓本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CNTs复合材料，其特征在于，主要由聚苯乙烯和改性CNTs复合而成，所述改性CNTs的含量为所述聚苯乙烯的5wt％-20wt％，所述改性CNTs为CNTs经酸化后由聚3-己基噻吩改性而成，所述CNTs与所述聚3-己基噻吩的质量比为1：(0.1-0.6)。/n

【技术特征摘要】
1.一种CNTs复合材料，其特征在于，主要由聚苯乙烯和改性CNTs复合而成，所述改性CNTs的含量为所述聚苯乙烯的5wt％-20wt％，所述改性CNTs为CNTs经酸化后由聚3-己基噻吩改性而成，所述CNTs与所述聚3-己基噻吩的质量比为1：(0.1-0.6)。


2.根据权利要求1所述的CNTs复合材料，其特征在于，所述CNTs依次经浓H2SO4和浓HNO3进行酸化。


3.根据权利要求2所述的CNTs复合材料，其特征在于，所述浓H2SO4和所述浓HNO3的体积比为1:1。


4.根据权利要求1所述的CNTs复合材料，其特征在于，所述CNTs为多壁碳纳米管。


5.一种CNTs复合材料的制备方法，其特征在于，适于制备如权利要求1-4任一项所述的CNTs复合材料，包括以下步骤：
取适量CNTs进行酸化，制得CNTs酸化物；
将聚3-己基噻吩放入溶剂中搅拌至完全溶解，制得聚3-己基噻吩溶液；
按设定质量比称取所述CNTs酸化物放入所述聚3-己基噻吩溶液中，依次经搅拌和离心后收获沉淀物，烘干所述沉淀物得到改性CNTs；
称取聚苯乙烯放入容器中，滴加溶剂后于水浴环境中搅拌至完全溶解，制得聚苯乙烯溶液；
将所述改性CNTs放入所述聚苯乙烯溶液中混合均匀，制得混合料；
将所述混合料涂布在玻璃板上，待所述混合料干燥至形成薄膜，将所述薄膜从玻璃上剥离，烘干后即得所述的CNTs复合材料。

【专利技术属性】
技术研发人员：钱家盛，张俊，伍斌，李亚，钱钢，潘升军，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34