一种多壁碳纳米管的表面修饰方法技术

本发明专利技术涉及一种多壁碳纳米管的表面修饰方法，是根据多壁碳纳米管和聚合物基体特性，采用对苯二甲酸为修饰材料，先对多壁碳纳米管在超声分散机内进行超声分散、包覆乙二醇，然后在四口烧瓶内，在油浴、加热、搅拌、氮气保护、水循环冷凝装态下，进行表面修饰，经洗涤、抽滤、真空干燥，制成包覆改性多壁碳纳米管，包覆层厚度可达5～15nm，直径为40～60nm，长度为20μm，化学物理性能稳定，不易团聚，可与多种化学物质匹配，相容性好，此表面修饰方法工艺先进，使用设备材料少，工艺流程短，量值翔实准确，是十分理想的多壁碳纳米管的表面修饰方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属无机碳材料表面修饰及改变性能

技术介绍
多壁碳纳米管MWNTs的直径从几纳米到几十纳米不等，长度一般为几微米到几十微米，有时可达毫米级，其长径比可达1000以上，具有独特的结构和性能，是一种性能优良的添加材料，在制备聚合物基复合材料中得到了广泛应用，由于其比表面积大，表面能较高，极易发生团聚，且与聚合物基体界面结合力较弱，相容性很差，这些缺陷限制了多壁碳纳米管在聚合物基复合材料中的应用。为了克服多壁碳纳米管的应用缺陷，必须对其表面进行修饰，改变多壁碳纳米管的表面性能，以解决分散性和相容性问题，常用的方法是酸化法，通过物理、化学或电化学法接枝或包覆偶联剂、聚合物或金属层，往往效果不佳，有的只能在多壁碳纳米管的端口或缺陷处进行修饰，作用有限，有的通过物理作用将羧酸芘或硅烷偶联剂进行包覆，但此方法受热力学因素影响较大，表面包覆层不稳定，易损坏，不能很好的起到增强的效果。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术的目的是针对
技术介绍
的不足，采用一种新的表面修饰方法，采用对苯二甲酸为修饰材料，通过酯化反应对带羟基的多壁碳纳米管MWNTs-OH进行表面修饰，利用多壁碳纳米管表面的羟基与对苯二甲酸的羧基发生酯化反应，把修饰材料接枝到多壁碳纳米管的表面，以大幅度提高多壁碳纳米管的性能和与基体的相容性。技术方案本专利技术使用的化学物质材料为对苯二甲酸、带羟基多壁碳纳米管、乙二醇、N， N-二甲基甲酰胺、氮气、盐酸、去离子水、硝酸银、三氧化二锑、油浴油，其组合用量如下以克、毫升为计量单位OO“/—N “HO -C-<0>-C-OH带羟基多壁碳纳米管MWNTs-OH C对苯二甲酸乙二醇C2H6O2N,N-二甲基甲酰胺HCON(CH3)2 三氧化二锑Sb2O3 盐酸HCl 硝酸银AgNO3 去离子水:H2O 氮气N2 油浴油(CH3)3SiOn-Si(CH3)3修饰方法如下 (1)精选化学物质材料对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制2g±0.001g 20g±0.01g IOOOml 士 IOml 2000ml±10mlIg士 0.00 Ig500ml± IOml lg±0.001g 5 OOOml 士 IOml5OOOcm3士 10 cm35 OOml 士 IOml带羟基多壁碳纳米管固态固体^95%对苯二甲酸固态固体99.5%乙二醇液态液体99.7%N,N-二甲基甲酰胺液态液体99.7%三氧化二锑固态固体99.5%盐酸液态液体浓度36.5%硝酸银固态固体99.5%去离子水液态液体99.9%氮气气态气体99.5%油浴油液态液体95%(2)超声分散、包覆多壁碳纳米管超声分散、包覆多壁碳纳米管是在超声分散机中、在加热状态下进行的，将烧杯置于超声分散机内的超声水槽内，超声水槽在超声分散机上部，超声水槽内置放超声水，超声水要淹没烧杯体积的4/5，烧杯中盛放混合液；①称取带羟基多壁碳纳米管2g±0. OOlg ；称取乙二醇500ml 士0. Iml ；加入烧杯中，搅拌5min，成混合液；②将盛有混合液的烧杯置于超声分散机内，开启超声分散机，使超声水温度升至 40 0C 士 2°C ；调控超声波频率为40KHz ；③多壁碳纳米管在加热、超声波作用下被乙二醇包覆，时间为120min士2min ；④关闭超声分散机，使混合液自然冷却至25°C ；⑤抽滤，将烧杯中分散后的混合液置于抽滤瓶的布氏漏斗中，用两层微孔滤膜进行抽滤，滤膜上留存产物滤饼，废液抽至滤瓶中，弃掉；⑥洗涤、抽滤将产物滤饼置于烧杯中，加入去离子水300ml，搅拌、洗涤5min，成洗涤液；将洗涤液置于抽滤瓶的布氏漏斗中，用两层微孔滤膜进行抽滤，滤膜上留存产物滤饼，废液抽至滤瓶中，弃掉；洗涤、抽滤重复进行5次；⑦真空干燥，将洗涤、抽滤后的产物滤饼置于石英盘中，然后置于真空干燥箱中进行干燥，干燥温度120°C 士2°C，真空度10Pa，干燥时间480min，干燥后得乙二醇包覆多壁碳纳米管C-O-C2H5OH ；(3)表面修饰多壁碳纳米管表面修饰多壁碳纳米管是在四口烧瓶中进行的，将四口烧瓶置于油浴缸上，将油浴缸置于电热搅拌器上，油浴缸内置放油浴油，油浴油要淹没四口烧瓶体积的4/5，在四口烧瓶上由左至右依次设置氮气管、加液漏斗、搅拌器、水循环冷凝管；①配制盐酸水溶液将盐酸84ml，去离子水916ml加入IOOOml容量瓶中，摇动容量瓶，配制成lmol/L 的盐酸水溶液；②称取乙二醇包覆多壁碳纳米管2g±0. OOlg ；对苯二甲酸20g士O.OOlg ；三氧化二锑Ig士0. OOlg ；N, N- 二甲基甲酰胺 300ml 士 Iml ；加入四口烧瓶中；③开启电热搅拌器，四口烧瓶内温度由25°C升至140°C 士2°C，并在此温度恒温、 保温；开启搅拌器，进行搅拌，搅拌转数为lOOr/min ；开启氮气阀，向四口烧内瓶输入氮气，输入速度20cm7min ；开启水循环冷凝管，进行水循环冷凝；④四口烧瓶内化学物质在加热、油浴、搅拌、氮气保护、水循环冷凝状态下，进行化学反应，完成多壁碳纳米管的表面修饰，时间300min，反应方程式如下权利要求1. ，其特征在于使用的化学物质材料为对苯: 甲酸、带羟基多壁碳纳米管、乙二醇、N, N-二甲基甲酰胺、氮气、盐酸、去离子水、硝酸银、J 氧化二锑、油浴油，其组合用量如下以克、毫升为计量单位带羟基多壁碳纳米管2.根据权利要求1所述，其特征在于多壁碳纳米管的分散包覆是在超声分散机上进行的，在超声分散机(1)上设有显示屏(2)、指示灯(3)、温度控制器(4)、超声频率控制器(5)，在超声分散机(1)上部设有超声槽(6)，超声槽(6) 内为超声水(7)，在超声槽(6)的中间位置为烧杯(8)，烧杯(8)内为混合液(9)，烧杯(8) 浸入超声水内，超声水要淹没烧杯(8)体积的4/5，烧杯(8)由超声槽(6)上的槽盖(10)固定。3.根据权利要求1所述，其特征在于多壁碳纳米管的表面修饰在四口烧瓶中进行的，四口烧瓶(18)置于油浴缸(16)上，并由缸盖(30)固定，油浴缸(16)置于电热搅拌器(11)上，油浴缸(16)内置放油浴油(17)，油浴油(17)要淹没四口烧瓶(18)体积的4/5 ；电热搅拌器(11)上设有显示屏(12)、指示灯(13)、温度控制器(14)、搅拌器(15)；在四口烧瓶上由左至右依次设有氮气管(19)及氮气阀(27)，加液漏斗(20)及控制阀(26)，搅拌器(21)，水循环冷凝管(22)及进水口(23)、出水口(24)、出气口(25)；氮气管(19)联接氮气瓶(28)；四口烧瓶内为反应液(17)及氮气(29)。全文摘要本专利技术涉及，是根据多壁碳纳米管和聚合物基体特性，采用对苯二甲酸为修饰材料，先对多壁碳纳米管在超声分散机内进行超声分散、包覆乙二醇，然后在四口烧瓶内，在油浴、加热、搅拌、氮气保护、水循环冷凝装态下，进行表面修饰，经洗涤、抽滤、真空干燥，制成包覆改性多壁碳纳米管，包覆层厚度可达5～15nm，直径为40～60nm，长度为20μm，化学物理性能稳定，不易团聚，可与多种化学物质匹配，相容性好，此表面修饰方法工艺先进，使用设备材料少，工艺流程短，量值翔实准确，是十分理想的多壁碳纳米管的表面修饰方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种多壁碳纳米管的表面修饰方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：对苯二甲酸、带羟基多壁碳纳米管、乙二醇、Ｎ，Ｎ－二甲基甲酰胺、氮气、盐酸、去离子水、硝酸银、三氧化二锑、油浴油，其组合用量如下：以克、毫升为计量单位修饰方法如下：（１）精选化学物质材料对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制：（２）超声分散、包覆多壁碳纳米管超声分散、包覆多壁碳纳米管是在超声分散机中、在加热状态下进行的，将烧杯置于超声分散机内的超声水槽内，超声水槽在超声分散机上部，超声水槽内置放超声水，超声水要淹没烧杯体积的４／５，烧杯中盛放混合液；①称取带羟基多壁碳纳米管２ｇ±０．００１ｇ；称取乙二醇５００ｍｌ±０．１ｍｌ；加入烧杯中，搅拌５ｍｉｎ，成混合液；②将盛有混合液的烧杯置于超声分散机内，开启超声分散机，使超声水温度升至４０℃±２℃；调控超声波频率为４０ＫＨｚ；③多壁碳纳米管在加热、超声波作用下被乙二醇包覆，时间为１２０ｍｉｎ±２ｍｉｎ；④关闭超声分散机，使混合液自然冷却至２５℃；⑤抽滤，将烧杯中分散后的混合液置于抽滤瓶的布氏漏斗中，用两层微孔滤膜进行抽滤，滤膜上留存产物滤饼，废液抽至滤瓶中，弃掉；⑥洗涤、抽滤将产物滤饼置于烧杯中，加入去离子水３００ｍｌ，搅拌、洗涤５ｍｉｎ，成洗涤液；将洗涤液置于抽滤瓶的布氏漏斗中，用两层微孔滤膜进行抽滤，滤膜上留存产物滤饼，废液抽至滤瓶中，弃掉；洗涤、抽滤重复进行５次；⑦真空干燥，将洗涤、抽滤后的产物滤饼置于石英盘中，然后置于真空干燥箱中进行干燥，干燥温度１２０℃±２℃，真空度１０Ｐａ，干燥时间４８０ｍｉｎ，干燥后得：乙二醇包覆多壁碳纳米管Ｃ－Ｏ－Ｃ２Ｈ５ＯＨ；（３）表面修饰多壁碳纳米管表面修饰多壁碳纳米管是在四口烧瓶中进行的，将四口烧瓶置于油浴缸上，将油浴缸置于电热搅拌器上，油浴缸内置放油浴油，油浴油要淹没四口烧瓶体积的４／５，在四口烧瓶上由左至右依次设置氮气管、加液漏斗、搅拌器、水循环冷凝管；①配制盐酸水溶液将盐酸８４ｍｌ，去离子水９１６ｍｌ加入１０００ｍｌ容量瓶中，摇动容量瓶，配制成１ｍｏｌ／Ｌ的盐酸水溶液；②称取乙二醇包覆多壁碳纳米管２ｇ±０．００１ｇ；对苯二甲酸２０ｇ±０．００１ｇ；三氧化二锑１ｇ±０．００１ｇ；Ｎ，Ｎ－二甲基甲酰胺３００ｍｌ±１ｍｌ；加入四口烧瓶中；③开启电热搅拌器，四口烧瓶内温度由２５℃升至１４０℃±２℃，并在此温度恒温、保温；开启搅拌器，进行搅拌，搅拌转数为１００ｒ／ｍｉｎ；开启氮气阀，向四口烧内瓶输入氮气，输入速度２０ｃｍ３／ｍｉｎ；开启水循环冷凝管，进行水循环冷凝；④四口烧瓶内化学物质在加热、油浴、搅拌、氮气保护、水循环冷凝状态下，进行化学反应，完成多壁碳纳米管的表面修饰，时间３００ｍｉｎ，反应方程式如下：式中：Ｃ－Ｏ－Ｃ２Ｈ５ＯＨ：乙二醇包覆的多壁碳纳米管；对苯二甲酸包覆修饰的多壁碳纳米管⑤表面修饰化学反应后，停止加热，继续搅拌、水循环冷凝、通氮气，待四口烧瓶内反应液随瓶冷却至２５℃，关闭搅拌器、水循环冷凝管、氮气管；⑥将冷却后的反应溶液倒入烧杯中，然后加入１ｍｏｌ／Ｌ的盐酸水溶液１００ｍｌ，搅拌１０ｍｉｎ，然后静置分层，除去上清液，残余的三氧化二锑溶于稀盐酸，并随上清液一同被除去，存留沉淀物；⑦将沉淀物置于烧杯中，然后加入Ｎ，Ｎ－二甲基甲酰胺３００ｍｌ，洗涤、搅拌１０ｍｉｎ，然后静置分层，除去上清液，残余的对苯二甲酸溶于Ｎ，Ｎ－二甲基甲酰胺并随上清液除去，留存沉淀物；洗涤重复进行３次；⑧去离子水洗涤、抽滤将沉淀物置于烧杯中，然后加入去离子水３００ｍｌ，搅拌洗涤５ｍｉｎ，成混合液；将混合液置于抽滤瓶上的布氏漏斗中，用两层微孔滤膜进行抽滤，滤膜上留存产物滤饼，废液抽至滤瓶中，弃掉；洗涤、抽滤重复进行５次；⑨真空干燥将洗涤、抽滤后的产物滤饼收集于石英产物盘内，然后置于真空干燥箱中进行干燥，真空度１０Ｐａ，干燥温度１２０℃±２℃，干燥时间２４０ｍｉｎ；干燥后得终产物：包覆改性多壁碳纳米管；（４）检测、化验、分析、表征对表面修饰、包覆改性的多壁碳纳米管的形貌、色泽、化学成分、化学物理性能、力学性能要进行检测、化验、分析、表征；用ＪＳＭ－６７００Ｆ型场发射扫描电镜分析仪进行形貌分析；用ＴＥＮＳＯＲ２７型红外光谱分析仪进行化学结构分析；用ＪＳＭ－６７００Ｆ型场发射扫描电镜分析仪进行包覆层厚度观察；结论：表面修饰、包覆改性的多壁碳纳米管为黑色、管状，包覆层厚度为５～１５ｎｍ，直径为４０～６０ｎｍ，长度为２０μｍ；（５）储存对制备的表面修饰的多壁碳纳米管储存于棕色透明的玻璃容器中，密闭避光保存，置于阴凉洁净环境，要防水、防潮、防晒、防火、防酸碱盐侵蚀，储存温度２０℃±２℃，相对湿度≤１０％。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：牛梅，侯文生，戴晋明，范海宾，相增辉，李寅，蔡智峰，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：14