莫来石前驱体原位包覆碳纳米管的复合粉体的制备方法

摘要

本发明提供了一种莫来石前驱体原位包覆碳纳米管的复合粉体的制备方法。主要特征是将表面处理后的碳纳米管置于原料水溶液中，原位合成碳纳米管－碳酸铝铵－二氧化硅溶胶复合粉体，通过洗涤、干燥、过筛和煅烧，获得莫来石前驱体包裹碳纳米管复合粉体。所得材料的结构特征是莫来石前驱体在碳纳米管的管壁上，在优化条件下，可实现前驱体对碳纳米管的全包覆。通过控制溶液浓度可以得到不同配比的碳纳米管－莫来石复合粉体。本方法以原位包覆合成方法实现了莫来石前驱体与碳纳米管的紧密结合，是制备碳纳米管/莫来石复合材料的有效途径。该复合材料是制备碳纳米管－莫来石复合材料优良的前驱体，也可以用作其它材料的增强体，具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明是关于一种纳米莫来石前驱体原位包覆碳纳米管复合粉体的制备方法，属于纳米复合材料领域。

技术背景

自从S.Iijima发现碳纳米管以来，碳纳米管及其相关科学的研究引起了人们极大的关注。由于它具有独特的一维中空结构，超强的电学及机械性能、较大的比表面积(120-300m²/g)、较好的吸附能力，碳纳米管及其复合材料可广泛用作复合材料的增强体、储氢材料、场发射材料、纳米器件及电极材料。特别是它优异的力学性能(单壁碳纳米管的弹性模量1TPa，多壁碳纳米管的弹性模量950GPa)及低密度被誉为复合材料增强体的极限形式，近年来将其作为增强体制备高性能的碳纳米管复合材料是碳纳米管研究的重要方向之一。然而，由于碳纳米管间存在较强的范德华力使其很难被均匀分散于基体之中，以及其低的表面的化学活性，导致与基体的相容性差等原因，使得制备出的碳纳米管复合材料没有表现出理想的增强、增韧效果，尤其是以陶瓷为基体的复合材料中。例如Ma等将碳纳米管加入到SiC陶瓷中，结果发现抗弯强度只增加了10％左右(R.Z.Ma，J.Wu，B.Q.Wei，J.Liang，D.H.Wu，J.Mater.Sci.，1998，335243-5246)。Peigney和Kamalakaran等人对碳纳米管/氧化铝复合材料做了大量的工作，但是仍没有得到满意的结果。(E.Flahaut，A.Peigney，Ch.Laurent，Ch.Marlière，F.Chastel and A.Rousset，Acta Mater，2000，48[14]：3803-3812；R.Kamalakaran，F.Lupo，N.Grobert，D.Lozano-Castello，N.Y.Jin-Phillipp and M.Rühle，Carbon，2003，41[14]：2737-2741)。实现碳纳米管与基体较强的界面结合研究表明，如在碳纳米管表面包裹一层无机物质将有可能大大改善碳纳米管与无机基体的相容性(K.Hernadi，E.Couteau，J.W.Seo and L.Forro，Langmuir，2003，19[17]：7026-7029)。目前已有在碳纳米管上包裹SiO₂(T.Seegar，Th.Khler，Th.Frauenheim，N.Grobert，M.Terrones，et al.Chem Commun 2002：34-35)，包裹ZnO(L.Q.Jiang，L.Gao，Materials Chemistry and Physics，2005，91[2~3]：313-316)，包裹CdS(Y.Q.Liu，L.Gao，Materials Chemistry and Physica，2005，91[2-3]：365-369)，HAP(L.P.Zhao，L.Gao，Carbon，2004，42：423-460)等陶瓷粉体的报道，均取得了较好的界面结合。从而启发本发明能否以原位合成的方法，在碳纳米管上包裹莫来石前驱体——纳米氧化铝和纳米氧化硅颗粒，达到增强碳纳米管与陶瓷基体的界面结合的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种莫来石前驱体原位包裹碳纳米管复合粉体的原位合成方法，使制得的复合粉体具有紧密结合的性能。本发明通过酸化处理碳纳米管，使其表面产生带负电荷的活性基团，利用碳纳米管表面活性基团的静电吸引作用，将氧化铝和氧化硅前驱体原位吸附于碳纳米管表面，通过低温煅烧该前驱体在碳纳米管表面分解，进而原位生成碳纳米管/莫来石前驱复合粉体。其特征在于：以硫酸铝铵作铝源，与碳酸氢铵反应生成氧化铝的前驱体碳酸铝铵，通过表面带负电荷的碳纳米管的静电吸引作用，将碳酸铝铵原位吸附于碳纳米管表面，以正硅酸乙酯为硅源，水解成硅溶胶，通过非均匀成核沉积在碳纳米管-碳酸铝铵表面，通过低温煅烧使碳酸铝铵和硅溶胶在碳纳米管表面分解，进而生成碳纳米管-氧化铝-氧化硅(莫来石前驱体)的复合粉体。所提供的方法简单，操作方便，不需特殊的设备，并实现了氧化铝、氧化硅与碳纳米管的紧密结合，是制备碳纳米管/莫来石前驱复合粉体的有效途径。

具体步骤是：

(1)将碳纳米管烘干，除去其所含有的水分，烘干温度为95～105℃；所述的碳纳米管可为单壁或多壁纳米管；

(2)把烘干后的碳纳米管用浓硝酸于120℃回流处理24小时在碳纳米管表面引入-OH、-COOH和-CO等活性基团，然后用去离子水反复洗～涤至pH＝6～8、烘干备用；

(3)将碳酸氢铵溶解到去离子水中配成浓度为0.5-0.01mol/L的溶液；

(4)将步骤2)改性后的碳纳米管加入到步骤3制备的溶液中超声15-60分钟，制成悬浮液；

(5)将步骤4)得到的悬浮液磁力搅拌，滴入0.25-0.005mol/L的硫酸铝铵溶液，常温下反应10-24小时，即可得到碳酸铝铵包裹碳纳米管的复合粉体。

(6)将步骤5)得到的悬浮液水浴加热55℃，滴入正硅酸乙酯，在碱性条件下反应6～24小时，得到碳酸铝铵和硅溶胶包裹碳纳米管的复合粉体；

(7)产物经去离子水、无水乙醇各洗涤3次至pH＝6～8，干燥后即得到的复合粉体，再在空气中，400～550℃煅烧2～3小时，即可得到无定形氧化铝和无定形氧化硅包覆碳纳米管的复合粉体。

本发明的特点是：以碳酸氢铵和硫酸铝铵溶液为原料，在常温条件下生成碳酸铝铵原位包覆碳纳米管，以正硅酸乙酯为硅源，在55℃，碱性条件下水解6～24小时，得到碳酸铝铵和硅溶胶包裹碳纳米管的复合粉体，然后在空气中，400～550℃煅烧2～3小时，得到氧化铝和氧化硅原位包裹碳纳米管复合粉体。

本发明提供的莫来石纳米前驱体原位包覆碳纳米管的方法的特点是：

(1)通过酸化处理在碳纳米管表面引入-OH、-COOH、-CO等活性基团，并使碳纳米管表面荷负电。利用碳纳米管表面活性基团的静电吸引作用，将氧化铝前驱体和二氧化硅前驱体原位吸附于碳纳米管表面，通过在空气中低温煅烧使前驱体分解，进而原位生成无定形氧化铝-无定形氧化硅包覆碳纳米管的复合粉体；

(2)通过前驱体的沉积和分解使氧化铝和氧化硅包覆在碳纳米管表面，实现了碳纳米管与纳米颗粒的强的界面结合；

(3)通过改变反应溶液的浓度来调整纳米颗粒与碳纳米管的质量百分比，经高温1400℃原位反应合成可以得到不同配比的碳纳米管/莫来石复合材料，依本发明生成的复合材料碳纳米管含量为1～60vol％，而莫来石陶瓷含量为40～99vol％；

(4)工艺简单，无需特殊设备。

附图说明

图1碳纳米管与包覆复合粉体及碳纳米管/莫来石复合材料的X射线衍射图谱：

1)碳纳米管(CNTs)

2)CNTs-AlNH₄(OH)₂CO₃包覆复合粉体

3)CNTs-AlNH₄(OH)₂CO₃-Si(OH)₄包覆复合粉体

4)CNTs-无定型Al₂O₃-无定型SiO₂包覆复合粉体

5)CNTs/莫来石复合材料

图2不同浓度的反应物得到的CNTs-无定型Al₂O₃-无定型SiO₂包覆复合粉体的透射电镜照片

(a)0.1M，(b)1.0M，(c)2.0M

图3不同浓度的反应物得到的莫来石/碳纳米管复合材料的场发射扫描电镜照片

(a)2.0M，(b)1.0M，(c)0.1M

具体实施方式

用下列非限定性实施例进一步说明实施方式及效果：

实施例1

将碳纳米管放入100℃的烘箱中烘24小时以除去碳纳米管中的水分，然后将其在浓硝酸中回流处理24小时，用去离子水洗涤，烘干。5g酸化处理后的碳管浸入2.0M碳酸铝铵水溶液中，超声分散60分钟后在磁力搅拌器上搅拌，滴入浓度为0.3M的硫酸铝铵溶液，在常温下反应12小时，然后将得到的产物经水、无水乙醇各洗涤三次，烘干后得到碳酸铝铵包裹碳纳米管的复合粉体，将得到的悬浮液水浴加热55℃，滴入正硅酸乙酯，在碱性条件下反应12小时，得到碳酸铝铵和氧化硅包裹的复合粉体，产物经水、无水乙醇各洗涤3次，干燥后得到的复合粉体，再在空气中，450℃煅烧2小时，即得到无定型氧化铝和氧化硅包裹碳纳米管的复合粉体。图2(c)为本实施例制备的无定型氧化铝-无定型-二氧化硅包裹碳纳米管透射电镜照片，从中可以看出，碳纳米管表面牢固地包裹上厚厚的涂层，碳纳米管被无定型氧化铝和氧化硅颗粒紧密包覆，几乎看不到碳纳米管，实现了纳米粒子对碳纳米管的全包覆。图3(a)为本实施例制备的复合粉体经1400℃烧结的碳纳米管/莫来石复合材料的场发射扫描电镜照片，可以看到，复合材料结构致密，碳纳米管均匀分布在莫来石基体中，界面结合良好。

实施例2

将碳纳米管放入100℃的烘箱中烘24小时以除去碳纳米管中的水分，然后将其在浓硝酸中回流处理24小时，用去离子水洗涤，烘干。5g酸化处理后的碳管浸入0.2M的碳酸铝铵水溶液中，超声分散15-60分钟后在磁力搅拌器上搅拌，滴入浓度为0.1的硫酸铝铵溶液，在常温下反应12小时，然后将得到的产物经水、无水乙醇各洗涤三次，烘干后得到碳酸铝铵包裹碳纳米管的复合粉体，将得到的悬浮液水浴加热55℃，滴入正硅酸乙酯，在碱性条件下反应12小时，得到碳酸铝铵和氧化硅包裹的复合粉体，产物经水、无水乙醇各洗涤3次，干燥后得到的复合粉体，再在空气中，450℃煅烧2小时，即得到无定型氧化铝和氧化硅包裹碳纳米管的复合粉体。图2(b)为本实施例制备的无定型氧化铝-无定型-二氧化硅包裹碳纳米管透射电镜照片，从中可以看出，碳纳米管表面牢固地包均匀致密的无定型氧化铝和氧化硅颗粒。图3(b)为本实施例制备的复合粉体经1400℃烧结的碳纳米管/莫来石复合材料的场发射扫描电镜照片，可以看到，复合材料结构致密，碳纳米管均匀分布在莫来石基体中，界面结合良好，碳纳米管在基体中所占比例比实施例1为多。

实施例3

将碳纳米管放入100℃的烘箱中烘24小时以除去碳纳米管中的水分，然后将其在浓硝酸中回流处理24小时，用去离子水洗涤，烘干。5g酸化处理后的碳管浸入0.1M的碳酸铝铵水溶液中，超声分散15-60分钟后在磁力搅拌器上搅拌，滴入浓度为0.015的硫酸铝铵溶液，在常温下反应12小时，然后将得到的产物经水、无水乙醇各洗涤三次，烘干后得到碳酸铝铵包裹碳纳米管的复合粉体，将得到的悬浮液水浴加热55℃，滴入正硅酸乙酯，在碱性条件下反应12小时，得到碳酸铝铵和氧化硅包裹的复合粉体，产物经水、无水乙醇各洗涤3次，干燥后得到的复合粉体，再在空气中，450℃煅烧2小时，即得到无定型氧化铝和氧化硅包裹碳纳米管的复合粉体。图1(2)，(3)，(4)为本实施例制备的包裹碳纳米管的复合粉体X射线衍射谱图，衍射峰对应于原始碳纳米管衍射峰，碳酸铝铵、硅凝胶和无定型纳米氧化铝都没有呈现出衍射峰，只表现出无定型相典型的弥散宽化图谱，图1(5)为本实施例制备的碳纳米管/莫来石复合材料的衍射谱图，可以看出莫来石前驱体——无定型纳米氧化铝和氧化硅已经完全转相为莫来石。图2(a)为本实施例制备的无定型氧化铝-无定型-二氧化硅包裹碳纳米管透射电镜照片，从中可以看出，碳纳米管表面均匀地包裹了无定型氧化铝和氧化硅颗粒。图3(c)为本实施例制备的复合粉体经1400℃烧结的碳纳米管/莫来石复合材料的场发射扫描电镜照片，可以看到，复合材料结构致密，碳纳米管均匀分布在莫来石基体中，界面结合良好，碳纳米管在基体中所占比例比实施例1和实施例2为多。