一种室温下具有流体行为的碳纳米管/SiO2杂化纳米粒子及其制备方法

摘要

本发明涉及一种室温下具有流体行为的碳纳米管/SiO2杂化纳米粒子及其制备方法，技术特征在于：将碳纳米管进行酸化后与SiO2胶体与硅烷偶联剂的无水乙醇溶液混合，然后采用聚氧乙烯基叔胺水溶液，调节pH≤7；利用高速离心机离心去除下层沉淀物，收集上层黑色悬浮液；将黑色悬浮液在真空干燥箱中烘至恒重，得到室温下具有流体行为的碳纳米管/SiO2杂化纳米粒子。本发明的具有流体行为的碳纳米管/SiO2杂化纳米粒子制备操作简单、易行，由于其良好分散性、热稳定性和在低蒸气压下的流动性，使得其在润滑剂、增塑剂或者成膜先驱体等方面具有潜在的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种室温下具有流体行为的碳纳米管/SiO₂杂化纳米粒子及其制备方法。

背景技术

随着纳米技术的发展，目前可以精确控制纳米粒子的化学结构、形貌、粒径和分布。但是，由于纳米粒子的团聚性问题阻碍纳米粒子工业化应用，因此需要对纳米粒子进行表面功能化改性，提高纳米粒子分散稳定性。一般纳米粒子的表面改性，在室温或低温下，纳米粒子呈固态。固态的纳米粒子分散在基础液体中，会存在一个浸润的问题。CN101063032，CN1931955，CN101293646公开了碳纳米管纳米流体的制备方法。其所述的纳米流体均指加入溶剂后，具有的流动性。而对于室温下，无溶剂存在的具有流体行为的纳米粒子还未见报道。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种室温下具有流体行为的碳纳米管/SiO₂杂化纳米粒子及其制备方法，其在没有溶剂存在的情况下，室温下具有流体行为，杂化纳米粒子的含量达15％(质量比)以上，其与水的悬浮液具有好的稳定性。

技术方案

本发明方法的技术特征在于：组份为10～40％的碳纳米管，1～5％的纳米SiO₂，0.1～1％的硅烷偶联剂，50～80％的聚氧乙烯基叔胺Ethomeen18/25表面处理剂；各原料组份单位为质量比，组份含量之和为100％。

所述的纳米粒子碳纳米管采用直径≤30nm，纯度＞95％的碳纳米管。

所述的纳米SiO₂胶体的质量含量为30～40％，粒径≤10nm。

所述的硅烷偶联剂为γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷，其分子式为CH₂C(CH₃)COOCH₂CH₂Si(OCH₃)₃；或γ-巯丙基三乙氧基硅烷硅，其分子式为HS(CH₂)₃Si(OC₂H₅)₃。

一种制备室温下具有流体行为的碳纳米管/SiO₂杂化纳米粒子的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1酸化碳纳米管：将碳纳米管与强酸在50～150℃进行回流反应3h，然后利用5000～10000rpm高速离心机离心8～12min后收集下层沉淀物，并用去离子水稀释洗涤5-6次至pH＞5得黑色水溶液，在60～150℃烘至恒重得酸化碳纳米管；所述的强酸为浓硫酸∶浓硝酸＝3∶1体积比；

步骤2：将粒径≤10nm的SiO₂胶体与硅烷偶联剂的无水乙醇溶液混合，室温磁力搅拌1～3h；

步骤3：将步骤1制得的酸化碳纳米管加入步骤2制得的溶液中，磁力搅拌1-3h后采用聚氧乙烯基叔胺水溶液，调节pH≤7，然后室温磁力搅拌1～3h，再超声分散1～3h得到胶体悬浮液；

步骤4：将步骤3所得胶体悬浮液，利用5000～10000rpm高速离心机离心8～12min，去除下层沉淀物，收集上层黑色悬浮液；

步骤5：将黑色悬浮液在真空干燥箱中60～150℃烘至恒重，得到室温下具有流体行为的碳纳米管/SiO₂杂化纳米粒子。

有益效果

本发明的一种室温下具有流体行为的碳纳米管/SiO₂杂化纳米粒子及其制备方法，经过功能化处理后，在纳米粒子表面通过表面接枝上非离子表面活性剂的有机软壳，制备了室温下具有流体行为的碳纳米管/SiO₂杂化纳米粒子，没有溶剂存在下，呈现单一的相态，不同于一般的纳米粒子-溶剂体系，呈现固-液两相体系。这种软的有机壳，对于分散的纳米粒子来说相当于提供了一种“溶剂”层。从另外一个角度来讲，对于核的纳米粒子，这种软的有机壳层相当于一种润滑剂，使纳米粒子可以流动。这种没有溶剂、高纳米粒子含量，具有流体行为，且均匀分散的纳米粒子完全保持了纳米粒子的纳米特性，其不需要溶剂，呈现液态形式，具有环保性。它具有更好的工艺性，可以使纳米粒子很容易加入到薄膜或其它功能性基材中。另外，纳米流体是一种智能的无溶剂流体，可用于质子导电、磁性、半导体和润滑剂中。同时，纳米粒子在空间分布保持了纳米粒子固有的物理化学性能，使它成为特殊的溶剂/反应介质。

附图说明

图1本发明方法的流程图

图2：本发明实施例的数码照片

(a)具有流体行为的杂化粒子

(b)杂化粒子分散在水中放置3个月

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例1

碳纳米管的酸化处理。称取1.0g的碳纳米管与100g的强酸后在75±5℃反应3h。离心分离，将下层沉淀物水洗至pH＞5，烘干。强酸为浓硫酸∶浓硝酸＝3∶1(体积比)。

将0.5g粒径≤10nm，含量为30-40％(质量比)的SiO₂胶体与50g浓度为0.1％(质量比)的γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液混合，其分子式为CH₂C(CH₃)COOCH₂CH₂Si(OCH₃)室温磁力搅拌1h。将酸化处理的碳纳米管0.5g加入其中，继续磁力搅拌1h，之后加入35.5g浓度为10％(质量比)聚氧乙烯基叔胺表面活性剂水溶液，分子式为C₁₈H₃₇N[(CH₂CH₂O)_nH][(CH₂CH₂O)_mH]，m+n＝15。调节pH接近于7，而后室温磁力搅拌1h，再超声分散3h。利用7000rpm高速离心机离心10min，去除下层少量沉淀物，收集上层黑色悬浮液。将黑色悬浮液，真空干燥箱中70℃烘至恒重。

测试性能如图2所示。

实施例2

碳纳米管的酸化处理。称取1.5g的碳纳米管与150g的强酸，75±5℃反应3h。离心分离，将下层沉淀物水洗至pH＞5，烘干。强酸为浓硫酸∶浓硝酸＝3∶1(体积比)。

将0.5g粒径≤10nm，含量为30-40％(质量比)的SiO₂胶体与17g浓度为0.1％(质量比)的γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液混合，其分子式为CH₂C(CH₃)COO CH₂CH₂Si(O CH₃)室温磁力搅拌1h。将酸化处理的碳纳米管1.0g加入其中，继续磁力搅拌1h，之后加入21.5g浓度为10％(质量比)聚氧乙烯基叔胺表面活性剂水溶液，分子式为C₁₈H₃₇N[(CH₂CH₂O)_nH][(CH₂CH₂O)_mH]，m+n＝15。调节pH接近于7，而后室温磁力搅拌1h，再超声分散3h。利用7000rpm高速离心机离心10min，去除下层少量沉淀物，收集上层黑色悬浮液。将黑色悬浮液，真空干燥箱中70℃烘至恒重。

实施例3

碳纳米管的酸化处理。称取1.5g的碳纳米管与150g的强酸在75±5℃反应3h。离心分离，将下层沉淀物水洗至pH＞5，烘干。强酸为浓硫酸∶浓硝酸＝3∶1(体积比)。

将0.3g粒径≤10nm，含量为30-40％(质量比)的SiO₂胶体与15g浓度为0.1％(质量比)的γ-氨丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液混合，其分子式为HS(CH₂)₃Si(OC₂H₅)₃，室温磁力搅拌1h。将酸化处理的碳纳米管1.0g加入其中，继续磁力搅拌1h，之后加入38.9g浓度为10％(质量比)聚氧乙烯基叔胺表面活性剂水溶液，m+n＝15。调节pH接近于7，而后室温磁力搅拌1h，再超声分散3h。利用7000rpm高速离心机离心10min，去除下层少量沉淀物，收集上层黑色悬浮液。将黑色悬浮液，真空干燥箱中70℃烘至恒重。

实施例4

碳纳米管的酸化处理。称取2.0g的碳纳米管与200g的强酸在75±5℃反应3h。离心分离，将下层沉淀物水洗至pH＞5，烘干。强酸为浓硫酸∶浓硝酸＝3∶1(体积比)。

将0.3g粒径≤10nm，含量为30-40％(质量比)的SiO₂胶体与50g浓度为0.1％(质量比)的γ-巯丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液混合，其分子式为HS(CH₂)₃Si(OC₂H₅)₃，室温磁力搅拌1h。将酸化处理的碳纳米管1.5g加入其中，继续磁力搅拌1h，之后加入83.5g浓度为10％(质量比)聚氧乙烯基叔胺表面活性剂水溶液，分子式为C₁₈H₃₇N[(CH₂CH₂O)_nH][(CH₂CH₂O)_mH]，m+n＝15。调节pH接近于7，而后室温磁力搅拌1h，再超声分散3h。利用7000rpm高速离心机离心10min，去除下层少量沉淀物，收集上层黑色悬浮液。将黑色悬浮液，真空干燥箱中70℃烘至恒重。