一种碳纳米管表面包覆非晶态或晶态氧化铬纳米功能涂层及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于纳米复合功能性涂层技术领域，具体公开了一种碳纳米管表面包覆非晶态或晶态氧化铬纳米功能涂层及其制备方法与应用。通过该方法可制备得到纳米结构复合功能体，CNTs上包覆有非晶态连续Cr2O3纳米涂层；可通过热处理将该复合功能体中非晶态氧化铬纳米涂层高效转变为晶态Cr2O3纳米涂层或纳米颗粒，CNTs与Cr2O3纳米涂层或Cr2O3纳米颗粒之间通过Cr

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管表面包覆非晶态或晶态氧化铬纳米功能涂层及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于纳米复合功能性涂层
提供一种碳纳米管表面包覆非晶态或晶态氧化铬纳米功能涂层及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]在新技术革命和产业升级的推动下，新一代信息技术、高端装备制造、新能源汽车等战略性新兴产业对关键部件用材料的综合性能(力学、光学、电学、热学性能等)要求越来越高，如集成电路超集成化和微型化发展、电气化铁路及脉冲磁场等的发展常受制于材料性能，材料的复合化已成为满足多功能需要的重要途径和发展趋势。这是因为复合材料可充分利用各组分材料(基体和增强体)的性能和结构优势进行互补，产生协同效应，因此既保留了基体材料的重要特征又能耦合原基体材料不具备但增强体材料具备的独特性能。
[0003]碳纳米管(CNTs)具有良好的力学性能、导电性能、传热性能、光学等其它良好性能，其优异的综合性能使其在复合材料增强增韧领域及电子元器件等功能化领域具有巨大的应用潜力。但现有的研究中所制备的CNTs增强体对于复合材料的复合效应与预期理想值仍存在着较大差距，其主要原因可概括为以下两点：1)CNTs具有极大的长径比和比表面积，CNTs间易发生缠结和严重团聚，将CNTs应用为增强体时，CNTs在基体材料中常以团聚体形式存在，分散效果不好的情况下CNTs团聚体及其中存在的孔隙会大幅度恶化基体性能；2)CNTs与金属、陶瓷、高分子等基体材料均存在界面结合弱的问题，弱界面结合往往使得CNTs潜在的巨大复合效应难以发挥。基于已经存在的需求和问题，欲充分发掘CNTs的潜在复合效应，制备出高性能CNTs增强复合材料，就必须解决CNTs难分散、与基体界面结合弱这两大关键问题。
[0004]此外，尤其需要指出的是，CNTs在功能化涂层领域、特种功能结构件领域、特种功能材料领域有着广阔的应用前景，但限制于CNTs本征特性，而无法满足相关领域特定功能化的要求。显然，CNTs包覆功能化涂层可以突破其本征特性的限定，且功能化涂层可以减少CNTs团聚、改善CNTs与基体界面的润湿性问题，从而为解决上述技术问题的同时赋予CNTs特定功能化特性。Cr2O3具有耐磨、耐蚀、耐热、高硬度、高折射率、307K(TN)下反铁磁性等物理特性、功能特性，显然经Cr2O3纳米涂层改性后，不仅可以提高CNTs作为金属/陶瓷/高分子等材料增强体的复合效果，还可以拓展CNTs在其他众多结构功能性材料中的应用，如耐高温无机颜料、超疏水功能膜层、耐磨耐蚀耐热功能涂层、高温耐磨润滑材料、有机催化/光催化材料、光电磁特种功能材料等等领域，进而实现复杂功能化应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决碳纳米管作为增强体或功能材料添加剂的应用限制，提供一种碳纳米管表面包覆非晶态或晶态氧化铬纳米功能涂层及其制备方法与应用。其具体微观结构为CNTs表面包覆有非晶态或晶态Cr2O3纳米涂层，CNTs与Cr2O3存在碳化铬(Cr
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)
纳米过渡层，从而使Cr2O3纳米涂层紧密包覆CNTs。通过该方法能极大地降低CNTs的长径比、解决CNTs与多种基体界面的润湿性问题以及为CNTs的多功能化应用提供解决方案。本专利技术的具体技术实现路线为：对CNTs进行纯化及在其表面引入化学官能团，此步骤能有效地改善CNTs的分散性和提供Cr2O3形核位点，然后将其充分分散后置入无机Cr盐溶液中，通过优选的化学工艺在其表面生成均匀的非晶态Cr2O3纳米涂层，CNTs上包覆非晶态Cr2O3涂层后可经过热处理将非晶态Cr2O3纳米涂层转变为晶态Cr2O3纳米涂层或晶态Cr2O3颗粒。
[0006]CNTs与Cr2O3纳米涂层间以Cr
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纳米过渡层连接，其进一步优越性在于可通过调节包覆工艺和热处理参数实现Cr2O3纳米涂层的结晶行为及纳米涂层微观结构的可控优化。
[0007]一种碳纳米管表面包覆非晶态或晶态氧化铬纳米功能涂层的制备方法，具体步骤为：
[0008]步骤1、在混合酸溶液中加入CNTs，进行恒温改性处理，处理完成得到备用CNTs；
[0009]步骤2、配制无机主盐溶液，将步骤(1)得到的备用CNTs置入其中进行分散后得到备用CNTs化学悬浊液；
[0010]步骤3、将步骤(2)得到的悬浊液加热并保持到恒定温度，然后加入pH碱性调节液，反应后干燥，得到自组装前驱体CNTs
‑
Cr(OH)3；
[0011]步骤4、将步骤(3)得到的前驱体，在惰性气氛保护下，进行热处理，得到含有纳米结构复合功能体CNTs
‑
(Cr
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,Cr2O3)的碳纳米管表面包覆非晶态或晶态氧化铬纳米功能涂层。
[0012]步骤(1)所述混合酸溶液包括浓硝酸(98％)与浓硫酸(67％)，其体积比为1:2.5
‑
3.5，CNTs与混合酸溶液的质量体积比为1:300
‑
1000g/mL，所述恒温改性处理的温度为30～90℃，优选为50℃，恒温改性处理的时间为2～8小时，优选为5小时。
[0013]步骤(1)改性处理完成后，对所得产物进行4
‑
10倍体积的稀释，对稀释后的CNTs进行抽滤，并洗涤至中性得到纯化后的备用CNTs。
[0014]步骤(2)所述主盐溶液为Cr2(SO4)3、CrSO4、KCr(SO4)2、Cr2(CO3)3、Cr(NO3)3、CrCl3、CrBr3、Cr(CH3COO)3和CrPO4溶液中的至少一种，其质量浓度配制为0.002
‑
0.5g/mL，优选为0.01
‑
0.25g/mL，更优选为0.01
‑
0.1g/mL。所述CNTs与主盐溶液的质量体积比为1:350
‑
1500g/mL，所述分散处理为超声处理时间为10～120分钟。
[0015]步骤(3)所述恒定温度为30～60℃，优选为50℃，所述pH碱性调节液为NaOH溶液、KOH溶液等中的至少一种，其质量浓度为0.005
‑
0.1g/mL，优选为0.025
‑
0.1g/mL，CNTs与pH碱性调节液的质量体积比为1:100
‑
650g/mL，所述滴定速度为1.0mL/min～5mL/min，优选为3.5mL/min，所述反应时间为10～60分钟，优选为30分钟。
[0016]优选的，步骤(3)反应完成后，优选为将所得反应液干燥后进行充分研磨，得到自组装前驱体CNTs
‑
Cr(OH)3。
[0017]步骤(4)所述惰性气氛为Ar气氛和/或稀有气体(≥99.99％)，所述热处理的升温速度为5～20℃/min，所述热处理温度为400℃
‑
1200℃，热处理的时间为10
‑
60分钟。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管表面包覆非晶态或晶态氧化铬纳米功能涂层的制备方法，其特征在于具体步骤为：步骤1、在混合酸溶液中加入CNTs，进行恒温改性处理，处理完成得到备用CNTs；步骤2、配制无机主盐溶液，将步骤(1)得到的备用CNTs置入其中进行分散后得到备用CNTs化学悬浊液；步骤3、将步骤(2)得到的悬浊液加热并保持到恒定温度，然后加入pH碱性调节液，反应后干燥，得到自组装前驱体CNTs
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Cr(OH)3；步骤4、将步骤(3)得到的前驱体，在惰性气氛保护下，进行热处理，得到含有纳米结构复合功能体CNTs
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(Cr
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,Cr2O3)的碳纳米管表面包覆非晶态或晶态氧化铬纳米功能涂层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述主盐溶液为Cr2(SO4)3、CrSO4、KCr(SO4)2、Cr2(CO3)3、Cr(NO3)3、CrCl3、CrBr3、Cr(CH3COO)3和CrPO4溶液中的至少一种，其质量浓度为0.002
‑
0.5g/mL。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述CNTs与主盐溶液的质量体积比为1:350
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1500g/mL。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述混合酸溶液包括浓硝酸与浓硫酸。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭柏松，罗思伟，于振涛，李卫，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：