一种单壁碳纳米管－聚合物导电复合薄膜的制备方法

摘要

本发明涉及一种单壁碳纳米管－聚合物导电复合薄膜的制备方法。首先借助阿拉伯树胶溶液和超声波的共同作用，将单壁碳纳米管束剥离成单根的碳纳米管，并在其表面缠绕包覆上一层阿拉伯树胶分子，然后将处理过的单壁碳纳米管与聚合物乳液混合均匀后在室温下成膜，即可制得单壁碳纳米管－聚合物导电复合薄膜。本发明能使单壁碳纳米管在聚合物中分散均匀。添加少量的单壁碳纳米管即可使聚合物基体的电导率提高十个数量级左右。

说明书

技术领域

本发明涉及一种导电复合材料的制备方法，尤其涉及一种单壁碳纳米管-聚合物导电复合薄膜的制备方法。

背景技术

单壁碳纳米管具有一维中空纳米结构，管径一般为几个纳米，管长可达几十微米，长径比极高，且具有优异的电学性能，因此将其作为导电填料有着广泛的应用前景。并且由于碳纳米管和聚合物具有结构相似性，将两者混合可以扬长避短，制备出高性能的复合材料，可广泛应用于导电、抗静电、电磁屏蔽、微波吸收等领域，具有广阔的应用前景。但也正因为单壁碳纳米管壁表面积大，再加上强烈的范德华力，使其相互缠结，在聚合物中的分散效果差，使单壁碳纳米管在聚合物复合材料中的应用受到制约。

迄今为止，文献上报道的提高碳纳米管在聚合物中的分散性主要有两种方法：一种是直接共混法，即将碳纳米管与聚合物基体在机械力的作用下直接共混。此法在一定程度上提高了聚合物基体的电性能，但在复合过程中不能有效地解决碳纳米管均匀分散的问题，碳纳米管容易发生团聚，在复合材料内部产生缺陷，降低了材料的机械性能；另一种是化学改性法，即先将碳纳米管化学改性后再与基体树脂混合。虽然碳纳米管在基体中的分散均匀性和可加工性有所改善，但该方法在处理过程中不可避免地会破坏碳纳米管原有的结构，降低了复合材料的电性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导电性能优良的单壁碳纳米管-聚合物导电复合薄膜的制备方法。

本发明提出的单壁碳纳米管-聚合物导电复合薄膜的制备方法，首先借助阿拉伯树胶溶液和超声波的共同作用，将单壁碳纳米管束剥离成单根的碳纳米管，并在其表面缠绕包覆上一层阿拉伯树胶分子，然后将处理过的单壁碳纳米管与聚合物乳液混合均匀后在室温下成膜，即得所需产品。具体步骤如下：

(a)将阿拉伯树胶粉溶于水中，配成浓度为5％～10％的阿拉伯树胶溶液，将单壁碳纳米管加入阿拉伯树胶溶液中，碳纳米管与阿拉伯树胶的质量比为1∶4～1∶10，搅拌均匀，形成碳纳米管混合液；

(b)将步骤(a)所得的混合液用超声波振荡处理40～100min，超声波功率为200～300W；

(c)使用微孔滤膜抽滤步骤(b)所得的混合液，滤去水和多余的阿拉伯树胶；

(d)将步骤(c)过滤所得的单壁碳纳米管在70～100℃下真空干燥1～2h，直至恒重；

(e)将0.05～1g按步骤(d)所得的单壁碳纳米管加入到100g聚合物乳液中，用磁力搅拌器在1500～2000rpm的转速下搅拌均匀后在室温下成膜，即可得到所需产品。

本发明中，步骤(a)中所述单壁碳纳米管为CVD法制备的平均直径1.1nm，长度为5～30μm的单壁碳纳米管。

本发明中，步骤(e)中所述聚合物乳液为苯丙乳液、纯丙乳液环或环氧乳液等中任一种。

本发明具有如下优点：

1.由于在单壁碳纳米管表面物理包覆了一层阿拉伯树胶分子(如附图1)，所以能够在不破坏单壁碳纳米管原有的结构下使其在聚合物基体中得到很好的分散，从而得到导电性能优良的复合薄膜；

2.由于单壁碳纳米管由束状被剥离成单根(如附图2)，且在聚合物中分散性良好，就能显著地降低单壁碳纳米管在复合材料中的用量，从而节约了成本；

3.与传统的化学改性法相比，本发明中的制备工艺简单、无污染物排放，不存在环境污染问题。

附图说明

图1为单壁碳纳米管经超声波和阿拉伯树胶溶液处理前后的TEM图。其中，a、未经处理的单壁碳纳米管；b、经10％阿拉伯树胶溶液超声波处理后的单壁碳纳米管。

图2单壁碳纳米管经阿拉伯溶液超声波处理前后的TEM照片。其中，a：未经处理的单壁碳纳米管；b：经阿拉伯树胶溶液超声波处理后的单壁碳纳米管。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例1

步骤1.将0.1g阿拉伯树胶粉溶于1.9g水中，搅拌使之充分溶解，将0.025g单壁碳纳米管加入阿拉伯树胶溶液中，搅拌均匀，形成碳纳米管混合液；

步骤2.将步骤1所得的混合液用超声波振荡处理40min，超声波功率为200W；

步骤3.使用微孔滤膜抽滤步骤2所得的混合液，滤去水和多余的阿拉伯树胶；

步骤4.将步骤3过滤所得的单壁碳纳米管在70℃下真空干燥1h；

步骤5.将步骤4干燥所得的单壁碳纳米管加入到100g苯丙乳液(固含量为50％)中，用磁力搅拌器在1500rpm的转速下搅拌均匀后在室温下成膜，即可得到单壁碳纳米管-聚合物导电复合薄膜。所得的复合薄膜的电导率为2×10^-8S/m。

实施例2

采用实施例1同样的方法制备单壁碳纳米管-聚合物导电复合薄膜。其中所用的聚合物乳液为100g纯丙乳液(固含量为50％)。所得的复合薄膜的电导率为3×10^-9S/m。

实施例3

步骤1.将2g阿拉伯树胶粉溶于23g水中，搅拌使之充分溶解，将0.4g单壁碳纳米管加入阿拉伯树胶溶液中，搅拌均匀，形成碳纳米管混合液；

步骤2.将步骤1所得的混合液用超声波振荡处理80min，超声波功率为250W；

步骤3.使用微孔滤膜抽滤步骤2所得的混合液，滤去水和多余的阿拉伯树胶；

步骤4.将步骤3过滤所得的单壁碳纳米管在90℃下真空干燥1.5h；

步骤5.将步骤4干燥所得的单壁碳纳米管加入到100g苯丙乳液(固含量为50％)中，用磁力搅拌器在1800rpm的转速下搅拌均匀后在室温下成膜，即可得到单壁碳纳米管-聚合物导电复合薄膜。所得的复合薄膜的电导率为4×10^-5S/m。

实施例4

采用实施例3同样的方法制备单壁碳纳米管-聚合物导电复合薄膜。其中所用的聚合物乳液为100g纯丙乳液(固含量为50％)。所得的复合薄膜的电导率为7×10^-5S/m。

实施例5

步骤1.将5g阿拉伯树胶粉溶于45g水中，搅拌使之充分溶解，将0.5g单壁碳纳米管加入阿拉伯树胶溶液中，搅拌均匀，形成碳纳米管混合液；

步骤2.将步骤1所得的混合液用超声波振荡处理100min，超声波功率为300W；

步骤3.使用微孔滤膜抽滤步骤2所得的混合液，滤去水和多余的阿拉伯树胶；

步骤4.将步骤3过滤所得的单壁碳纳米管在100℃下真空干燥2h；

步骤5.将步骤4干燥所得的单壁碳纳米管加入到100g苯丙乳液(固含量为50％)中，用磁力搅拌器在2000rpm的转速下搅拌均匀后在室温下成膜，即可得到单壁碳纳米管-聚合物导电复合薄膜。所得的复合薄膜的电导率为5×10^-4S/m。

实施例6

采用实施例5同样的方法制备单壁碳纳米管-聚合物导电复合薄膜。其中所用的聚合物乳液为100g纯丙乳液(固含量为50％)。所得的复合薄膜的电导率为7×10^-4S/m。