一种富羟基核壳结构碳纳米管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及纳米材料技术领域，公开一种富羟基核壳结构碳纳米管及其制备方法，制备过程包括步骤：步骤1，将碳纳米管和糖类化合物在溶剂中高声强超声处理，得到分散混合液；步骤2，将所述分散混合液于密闭容器中水热碳化反应，产物洗涤、干燥得到氧含量大于12％的富羟基核壳结构碳纳米管。本发明专利技术不需要破坏碳纳米管表面结构就能引入大量羟基基团，得到的富羟基核壳碳材料羟基含量高，能够有效的提升亲水性，成品具有良好的亲水性和分散性。制备过程环保绿色，操作简单，易于工艺化生产。易于工艺化生产。易于工艺化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种富羟基核壳结构碳纳米管及其制备方法


[0001]本专利技术涉及纳米材料
，具体涉及一种富羟基核壳结构碳纳米管及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳纳米管(CNT)由于独特的物理、化学和电子特性，是一类具有广泛应用前景的工程纳米材料。尽管碳纳米管具有许多有用的特性，但在水相中并不容易分散，单个碳纳米管之间存在疏水作用通过范德华力会聚集起来，降低了可应用性，通过共价和非共价修饰改性在碳纳米管表面引入羟基基团可以有效提高碳纳米管的分散性和稳定性。
[0003]共价修饰的方法是通过强酸、强碱和等离子体等手段对碳纳米管进行处理，但往往会破坏碳纳米管石墨化的结构在表面接枝其他基团，碳纳米管在强氧化剂长时间作用下其表面的氧含量会在高氧含量和低氧含量之间周期性循环，这是由于碳纳米管表面的石墨化结构遭到破坏出现剥落的现象，最终制备的羟基化碳纳米管会造成性能下降和接枝基团含量少。而且也会致使羟基被强酸的氧化为其他基团。如CN104085879A公开了一种将碳纳米管放入强氧化溶液中得到羧基化碳纳米管，然后再进行氨基化得到高浓度碳纳米分散液的制备的方法。但该方法使用了强酸强氧化剂以及有毒有害的胺类化合物，在分离提纯过程中会形成二次污染的排放。
[0004]非共价修饰的方法是使用蛋白质、脱氧核糖核酸和具有足够疏水部分的大分子聚合物等对碳纳米管进行处理，这类方法既不影响碳纳米管的内部结构，也不损害碳纳米管表面的石墨化结构，碳纳米管的理想电子和力学性能能够保持不变。如CN111499757A公开的一种使用壳聚糖和藻蓝蛋白共价连接而成，应用于生物医学材料，但该专利中碳纳米管与修饰分子之间相互作用力很弱，该过程平衡受制于溶液的浓度、离子强度、温度和溶剂特性等性质的影响难以宽泛的进行应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术中碳纳米管表面羟基化的方法存在羟基基团含量低或吸附力不足易脱落等问题，提供一种制备富含羟基核壳结构的碳纳米管的方法，极大的增强了碳纳米管亲水性，且制备方法简单、反应比较温和，分散产物稳定，具有低成本、可工业化等优点。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种富羟基核壳结构碳纳米管的制备方法，包括步骤：
[0008]步骤1，将碳纳米管和糖类化合物在溶剂中高声强超声处理，得到分散混合液；
[0009]步骤2，将所述分散混合液于密闭容器中水热碳化反应，产物洗涤、干燥得到所述富羟基核壳结构碳纳米管。
[0010]本专利技术使用高声强超声预处理混合液，利用糖类化合物通过水热碳化的处理手段，在密闭的低氧环境中通过焦糖化反应的作用糖类化合物中的羟基基团能够大量被保
留，糖类化合物会生成焦糖粒子吸附在碳纳米管表面生成富羟基的壳层结构，最后能制备出富羟基核壳结构的碳纳米管。该方法不仅具有操作简单、成本低廉等优势，而且能够在碳纳米管表面修饰大量羟基基团，具有良好的亲水特性。
[0011]所述糖类化合物为水溶性糖源，包括葡萄糖、果糖、麦芽酚、麦芽糖、五羟甲基糠醛、环糊精、淀粉、壳聚糖中任一种或多种。
[0012]所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和表面修饰其他基团的碳纳米管中任一种。包括
‑
OH，
‑
COOH和
‑
NH2等基团修饰的碳纳米管，均可采用本专利技术的方法在其表面形成羟基壳层。
[0013]所述碳纳米管和糖类化合物的质量比为1:0.1
‑
5。过低的糖类化合物比例会使最终制备的产品表面壳层覆盖不完全，过高的糖类化合物比例会使最终制备的产品产生粘连。
[0014]优选地，碳纳米管和糖类化合物的质量比1:0.1
‑
3；进一步优选地，两者质量比为1:0.2
‑
2；更进一步优选质量比为1:1
‑
1.5。在该比例下最终制备的产品能够完全覆盖碳纳米管表面，分散性能好。
[0015]步骤1中溶剂包括水、乙醇、乙醚、丙二醇中任一种或多种。溶剂选择对糖类化合物溶解性能好，且碳纳米管对溶剂的吸附力弱的溶剂，可有效的溶解糖类化合物，避免对碳纳米管造成影响。
[0016]所述高声强处理的声强为1
×
105以上。由于碳纳米管之间易出现团聚效应，机械搅拌的剪切作用强度不足以打破碳纳米管之间的范德华力，难以做到高效分散原始的碳纳米管。本专利技术通过高声强的超声作用可以均匀分散碳纳米管在溶剂中，使碳纳米管和溶剂变为均一的混合液，形成的混合液流动性大幅度降低，碳纳米管被固定在混合液当中并且能够稳定的存在一定时间，这是机械搅拌所达不到的效果，因此碳纳米管能够有效均匀的分散在反应容器中，从而能够高效吸附焦糖化合物。
[0017]本专利技术中高声强处理的声强按照声强发生源的“工作功率/有效工作面积”进行计算。
[0018]分散混合液的处理过程对结果影响较大，声强太低将无法有效的使碳纳米管均匀分散在水中，出现团聚现象，优选地，高声强处理的声强为1
×
105‑2×
108W/m2。
[0019]步骤1经过高声强处理后的分散混合液非常稳定，在静置36h都不会出现明显的分层情况，只有静置时间超过7天以上，才会出现碳纳米管与液体的分层，这非常有利于步骤2的水热碳化反应。
[0020]所述水热碳化反应的温度为100
‑
350℃，反应温度基于糖类化合物的焦糖化反应温度。羟基化的碳源选择的糖类化合物，在高温情况下发生焦糖化反应包覆在碳纳米管表面，从而形成富羟基的壳层结构。
[0021]优选地，所述水热碳化反应的温度为150
‑
240℃，尤其优选180
‑
220℃。
[0022]所述高声强处理时间为0.5
‑
60min；所述水热碳化反应时间为6
‑
36h。水热反应时间短表面壳层不能覆盖完全。
[0023]优选地，高声强处理时间为2
‑
30min，尤其优选5
‑
10min；时间短分散程度不够，该范围下效果更为优异。
[0024]优选地，所述水热碳化反应时间9
‑
20h，尤其优选12
‑
15h。
[0025]水热碳化反应后的产物，采用水或乙醇、乙醚等溶剂进行洗涤，后在70
‑
90℃下干燥处理，去除溶剂，得到黑色的富羟基核壳结构碳纳米管。
[0026]本专利技术根据所述的制备方法得到的富羟基核壳结构碳纳米管，其表面氧含量质量分数大于12％，含有丰富的羟基，能够明显增强碳纳米管的亲水性。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0028](1)本专利技术开发了一条制备富羟基碳纳米管的新方法，不需要破坏碳纳米管表面结构就能引入大量羟基基团，通过高声强超声可以有效分散碳纳米管，得到固液分散均一的混合液能够稳定36小时以上，再通过水热碳化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种富羟基核壳结构碳纳米管的制备方法，其特征在于，包括步骤：步骤1，将碳纳米管和糖类化合物在溶剂中高声强超声处理，得到分散混合液；步骤2，将所述分散混合液于密闭容器中水热碳化反应，产物洗涤、干燥得到所述富羟基核壳结构碳纳米管。2.根据权利要求1所述的富羟基核壳结构碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述糖类化合物包括葡萄糖、果糖、麦芽酚、麦芽糖、五羟甲基糠醛、环糊精、淀粉、壳聚糖中任一种或多种。3.根据权利要求1所述的所述的富羟基核壳结构碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和表面修饰其他基团的碳纳米管中任一种。4.根据权利要求1所述的所述的富羟基核壳结构碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管和糖类化合物的质量比为1:0.1
‑
5。5.根据权利要求1所述的所述的富羟基核壳结构碳纳米管的制备方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：于博士，那海宁，黄骏成，刘斐，朱锦，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：