[发明专利]一种制备形态可控的单分散性碳微球的方法

说明书

技术领域

本发明属于新型碳材料制备领域，特别涉及一种制备形态可控的单分散性碳微球的方法。

背景技术

碳微球是新型碳材料的一种，外形呈圆球状或近似圆球状，粒径分布在纳米或微米数量级上，是近十几年来发展起来的一种新型碳材料。由于其强度高，热阻大，密度小，热稳定性和化学稳定性优异，导热导电性能良好等优点，而日渐受到人们的重视，成为研究的热点，应用于越来越多的领域。

目前人们已经开发出多种方法来实现碳微球的制备，如化学气相沉积(MiaoJ Y，Hwang D W，Narasimhulu K V，et al.Carbon，2004，42：813；Qian H S，Han F M，Zhang B，et al.Carbon，2004，42：761)、化学还原(Liu J W，Shao M W，Tang Q，et al.Carbon，2003，41：1682)、溶剂热(Wang Q，Li H，Chen L Q，et al.Carbon，2001，39：2211)、高温分解(Xu L Q，Zhang W Q，Yang Q，et al.Carbon，2005，43：1090)、电弧放电(Qiu J S，Li Y F，Wang Y P，et al.Carbon，2003，41：767)等，通过这些中的某些方法，人们已经可以方便地制备出大量的碳微球，包括空心碳微球和实心碳微球。

在上述方法中，化学气相沉积法应用得最为广泛。在该法中，反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料。它本质上属于原子范畴的气态传质过程，能够方便快速地制备出碳微球，如果采用洁净的碳源，有希望制备出纯净的碳微球。不过，该法一般无法预测或控制碳球粒径的大小及形态，微球粒径呈现多分散特征，且形状多为不规则球形。

目前已见诸报道的方法所制备的碳微球大都存在如下几种缺点中的一种或几种：球形不规则(球形发生畸变)；大小不均一，粒径分布在数百纳米甚至更宽的范围内；球与球之间常常发生严重的粘连。此外，更重要的是，通过现有的某一种方法只能有效地制备出一种形态的碳微球(空心的或实心的)，不能够通过简单的调节工艺参数而可控性地制备出实心碳微球或空心碳微球，这也是当前碳微球研究课题中的一个热点所在。

目前，以一种方法可控性地制备不同形态的单分散性碳微球尚未有文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备形态可控的单分散性碳微球的方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种制备形态可控的单分散性碳微球的方法：首先以苯乙烯为单体、水为介质与水溶性引发剂、交联剂一起进行无皂乳液聚合，合成出单分散性交联聚苯乙烯微球；然后将此交联聚苯乙烯微球在甲烷氯化物有机溶剂/金属氯化物催化剂体系中进行傅-克烷基化反应，反应结束后除去有机溶剂、催化剂，干燥，得到后交联聚苯乙烯微球；最后将后交联聚苯乙烯微球隔绝氧气炭化，即得到碳微球。

较好地，所述水溶性引发剂为过硫酸盐类引发剂，交联剂为二乙烯基苯或二甲基丙烯酸乙二醇酯。

进一步地，按质量比计，无皂乳液聚合的各原料用量为苯乙烯∶水∶过硫酸盐类引发剂∶交联剂＝1∶25～75∶0.03～0.09∶0.2～0.7，傅-克烷基化反应的各原料用量为交联聚苯乙烯微球∶甲烷氯化物∶金属氯化物＝1∶50～200∶3～7。

较好地，过硫酸盐类引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，甲烷氯化物为四氯化碳、氯仿或二氯甲烷，金属氯化物为无水氯化铝、无水氯化铁、无水四氯化锡之其中一种或其组合。

进一步地，首先以苯乙烯为单体、水为介质与水溶性引发剂在惰性气氛下于40～85℃进行无皂乳液聚合反应3～7h，之后再加入交联剂继续反应，整个无皂乳液聚合反应的时间为22～30h。

较好地，交联剂的加入方式为一次性完全加入或分批次注射加入，且每分钟注射10～20μL。

进一步地，傅-克烷基化反应温度为40～60℃，时间为2～24h；炭化温度为600～800℃，时间为2～4h。

具体地，无皂乳液聚合按以下过程进行：先在室温下将苯乙烯与部分水搅拌混合，此部分水的用量是水总质量的0.8～0.95倍，同时通入惰性气体排除空气，之后升温至反应温度40～85℃，加入引发剂和余量的水，该时刻记为反应的起始时间，反应3～7h后加入交联剂继续反应，整个无皂乳液聚合反应的时间为22～30h。