本發(fā)明涉及碳納米管的分散領(lǐng)域，具體為一種新的碳納米管分散方法。

背景技術(shù)：

碳納米管(Carbon Nanotube,簡稱CNT)自發(fā)現(xiàn)以來，其優(yōu)良的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等性能日益引起各界廣泛關(guān)注。碳納米管的楊氏模量和剪切模量都與金剛石相當(dāng)，其軸向楊氏模量接近2TPa、抗拉強(qiáng)度高達(dá)100GPa，為鋼的100倍，是高強(qiáng)度碳纖維的20多倍，密度僅為1.35g/cm³左右，為鋼的1/6、鋁的1/2、鎂的3/4，同時(shí)，碳納米管具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能、優(yōu)良的自潤滑性和生物相容性。因此，碳納米管被認(rèn)為是陶瓷、聚合物、金屬等基體材料的理想強(qiáng)化相。

碳納米管雖具有諸多優(yōu)點(diǎn)及廣泛的應(yīng)用前景，但其是納米材料，長徑比、表面積很大，為了降低自由能，碳納米管傾向聚合成團(tuán)以降低表面能，這是自發(fā)傾向行為。因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，其團(tuán)聚形態(tài)往往會(huì)破壞單根碳納米管所表現(xiàn)出的優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)特性，從而限制了碳納米管的應(yīng)用。目前碳納米管的分散方法主要有機(jī)械法、共價(jià)鍵修飾法、非共價(jià)鍵修飾法。如在“球磨分散工藝對碳納米管分散的影響”(黃民富等.材料導(dǎo)報(bào),2013(S2):第35-38頁)文章中對碳納米管分別進(jìn)行干式球磨和濕式球磨分散處理，結(jié)果表明碳納米管在球磨的沖擊作用下，碳納米管團(tuán)聚體被一定程度地打開。在“一種提高碳納米管分散性的方法”(授權(quán)公布號CN 104861743 A)的發(fā)明中，其公布了一種共價(jià)鍵修飾法，分散方法是先將環(huán)糊精和硅烷偶聯(lián)劑KH560進(jìn)行反應(yīng)制得KH560/β-CD；然后將碳納米管進(jìn)行酸化，使得碳納米管上引入大量的羥基和羧基，得到酸化碳納米管；最后將KH560/β-CD和酸化碳納米管進(jìn)行反應(yīng)制得環(huán)糊精改性碳納米管。

但是，機(jī)械法不僅分散效果差，而且機(jī)械外力會(huì)破壞碳納米管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)；共價(jià)鍵修飾法雖可以一定程度地將碳納米管分散，但是不可避免地引入共價(jià)鍵從而改變碳納米管的結(jié)構(gòu)，影響了其獨(dú)特性能的發(fā)揮。非共價(jià)鍵修飾法分散碳納米管時(shí)，主要以物理吸附，不產(chǎn)生共價(jià)鍵，因而不會(huì)破壞碳納米管的結(jié)構(gòu)，且改性劑在后期應(yīng)用中易除去。傳統(tǒng)的非共價(jià)鍵分散劑主要以離子型為主，但其只有一個(gè)親水基和一個(gè)親油基，由于這種表面活性劑疏水鏈之間的締合作用與離子頭基間電荷斥力和水化作用引起的分離作用存在平衡，使得它們在界面或分子聚集體中不能更緊密排列，所以分散能力有限。因此，開發(fā)新型分散劑來改善傳統(tǒng)非共價(jià)鍵分散劑的缺點(diǎn)是急需的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)目的主要是針對當(dāng)前傳統(tǒng)分散劑分散碳納米管中的不足，開發(fā)一種新的不破壞碳納米管結(jié)構(gòu)、效果更好且更加穩(wěn)定的分散碳納米管的方法。該方法通過新型分散劑(Gemini分散劑)對碳納米管的表面進(jìn)行修飾，改善其溶解性，然后在超聲震蕩作用下使碳納米管團(tuán)聚體分散開，形成均勻穩(wěn)定的分散液。方法中使用的分散劑為4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鹽。該方法具有分散效果好、分散穩(wěn)定、易操作、工藝流程短、制備周期短、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種Gemini型分散劑分散碳納米管的方法，其步驟為：

(1)碳納米管分散劑溶液的制備；(2)碳納米管的分散處理。

具體如下：

(1)碳納米管分散劑溶液的制備

稱取一定質(zhì)量的4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鹽加入到溶劑中，水浴加熱并保溫一段時(shí)間后，攪拌至全部溶解，制成4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鹽(雙十四烷基二苯甲烷雙磺酸鹽)溶液，水浴溫度為40～60℃，雙十四烷基二苯甲烷雙磺酸鹽濃度優(yōu)選為500～10000mg/L，冷卻至室溫得到分散劑溶液；

上述使用的雙十四烷基二苯甲烷雙磺酸鹽優(yōu)選為4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鈉、4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鉀，溶劑優(yōu)選為去離子水、乙醇、及二者任意比例的混合液。

(2)碳納米管的分散處理

稱量一定質(zhì)量的碳納米管加入到步驟(1)中的分散劑溶液中，碳納米管的濃度優(yōu)選為100～2000mg/L；將上述混合液置于水浴中，水浴溫度保持為室溫，進(jìn)行超聲，在超聲的同時(shí)還間歇采用機(jī)械攪拌。優(yōu)選超聲時(shí)間為20～200min，用T表示，機(jī)械攪拌先進(jìn)行0.1～0.2T后停歇0.3～0.4T，然后機(jī)械攪拌再次開始，進(jìn)行0.1～0.2T后再次停歇0.3～0.4T，以此類推。優(yōu)選機(jī)械攪拌兩次，停歇兩次。

上述所用碳納米管可為單壁碳納米管、多壁碳納米管或兩種碳納米管不同含量的組合，且碳納米管的純度優(yōu)選不小于99.0wt.％。

4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鈉、4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鉀的結(jié)構(gòu)如下：

本發(fā)明所述的分散方法的原理為：碳納米管壁主要由碳六元環(huán)構(gòu)成，每個(gè)碳六元環(huán)中的碳原子都以sp2雜化為主，因此在垂直于管壁的方向上每個(gè)碳原子還有一個(gè)空的p軌道，這些p軌道上的電子形成高度離域化的大π鍵，因此雙十四烷基二苯甲烷雙磺酸鹽中的苯環(huán)可以通過π-π堆疊作用于與碳納米管壁形成非共價(jià)結(jié)合。另外，雙十四烷基二苯甲烷雙磺酸鹽中的親油端是烷基鏈，可以通過疏水結(jié)合作用吸附在碳納米管表面，這加強(qiáng)了雙十四烷基二苯甲烷雙磺酸鹽與碳納米管的結(jié)合力。雙十四烷基二苯甲烷雙磺酸鹽具有兩個(gè)親水基即離子頭基，在增加碳納米管溶解性的同時(shí)，使碳納米管表面帶有電負(fù)性，利用靜電排斥作用防止碳納米管重新團(tuán)聚在一起，從而獲得分散均勻穩(wěn)定的碳納米管分散液，碳納米管完全分散開。

附圖說明

圖1為原始碳納米管團(tuán)聚體低倍SEM照片(碳納米管團(tuán)聚體顆粒平均直徑為2694nm)；

圖2為原始碳納米管團(tuán)聚體高倍SEM照片；

圖3為實(shí)例1中獲得的均勻分散的碳納米管溶液照片；

圖4為實(shí)例1中經(jīng)過分散的碳納米管SEM照片；

圖5為實(shí)例4中碳納米管分散液中碳納米管的粒度分布圖(碳納米管的平均粒度為275.9nm)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，需要指出的是，以下實(shí)施例只用于說明本發(fā)明的具體實(shí)施方法，并不能限制本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

(1)稱取80mg的4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鈉加入到40ml去離子水中，50℃水浴加熱并保溫10min后，攪拌至其全部溶解，制成濃度為2000mg/L的4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鈉溶液，冷卻至室溫得到碳納米管分散劑溶液。

(2)稱量20mg多壁碳納米管(純度為99.5wt.％)加入到步驟(1)中的分散劑溶液中，將上述混合液置于水浴中，水浴溫度保持為室溫，然后對其超聲60min，超聲的同時(shí)對其進(jìn)行機(jī)械攪拌，機(jī)械攪拌進(jìn)行10min后停歇20min，然后機(jī)械攪拌再次進(jìn)行10min后再次停歇20min。

實(shí)施例2

(1)稱取20mg的4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鈉加入到40ml去離子水中，40℃水浴加熱并保溫10min后，攪拌至其全部溶解，制成濃度為500mg/L的4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鈉溶液，冷卻至室溫得到碳納米管分散劑溶液。

(2)稱量4mg單壁碳納米管(純度為99.5wt.％)加入到步驟(1)中的分散劑溶液中，將上述混合液置于水浴中，水浴溫度保持為室溫，然后對其超聲20min，超聲的同時(shí)對其進(jìn)行機(jī)械攪拌，機(jī)械攪拌進(jìn)行4min后停歇6min，然后機(jī)械攪拌再次進(jìn)行4min后再次停歇6min。

實(shí)施例3

(1)稱取400mg的4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鈉加入到40ml去離子水中，60℃水浴加熱并保溫20min后，攪拌至其全部溶解，制成濃度為10000mg/L的4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鈉溶液，冷卻至室溫得到碳納米管分散劑溶液。

(2)稱量80mg多壁碳納米管(純度為99.5wt.％)加入到步驟(1)中的分散劑溶液中，將上述混合液置于水浴中，水浴溫度保持為室溫，然后對其超聲200min，超聲的同時(shí)對其進(jìn)行機(jī)械攪拌，機(jī)械攪拌進(jìn)行20min后停歇80min，然后機(jī)械攪拌再次進(jìn)行20min后再次停歇80min。

實(shí)施例4

(1)稱取160mg的4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鈉加入到40ml去離子水中，50℃水浴加熱并保溫20min后，攪拌至其全部溶解，制成濃度為4000mg/L的4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鈉溶液，冷卻至室溫得到碳納米管分散劑溶液。

(2)稱量40mg多壁碳納米管(純度為99.0wt.％)加入到步驟(1)中的分散劑溶液中，將上述混合液置于水浴中，水浴溫度保持為室溫，然后對其超聲100min，超聲的同時(shí)對其進(jìn)行機(jī)械攪拌，機(jī)械攪拌進(jìn)行10min后停歇30min，然后機(jī)械攪拌再次進(jìn)行10min后再次停歇30min。

實(shí)施例5

(1)稱取80mg的4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鉀加入到40ml去離子水中，50℃水浴加熱并保溫10min后，攪拌至其全部溶解，制成濃度為2000mg/L的4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鉀溶液，冷卻至室溫得到碳納米管分散劑溶液。

(2)稱量20mg多壁碳納米管(純度為99.0wt.％)加入到步驟(1)中的分散劑溶液中，將上述混合液置于水浴中，水浴溫度保持為室溫，然后對其超聲80min，超聲的同時(shí)對其進(jìn)行機(jī)械攪拌，機(jī)械攪拌進(jìn)行8min后停歇25min，然后機(jī)械攪拌再次進(jìn)行8min后再次停歇25min。

實(shí)施例6

(1)稱取400mg的4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鈉加入到40ml無水乙醇中，60℃水浴加熱并保溫20min后，攪拌至其全部溶解，制成濃度為10000mg/L的4，4-二(十四烷基)二苯甲烷雙磺酸鈉溶液，冷卻至室溫得到碳納米管分散劑溶液。

(2)稱量80mg多壁碳納米管(純度為99.5wt.％)加入到步驟(1)中的分散劑溶液中，將上述混合液置于水浴中，水浴溫度保持為室溫，然后對其超聲200min，超聲的同時(shí)對其進(jìn)行機(jī)械攪拌，機(jī)械攪拌進(jìn)行20min后停歇80min，然后機(jī)械攪拌再次進(jìn)行20min后再次停歇80min。