[发明专利]一种高含量碳纳米管热塑性树脂复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高含量碳纳米管热塑性树脂复合材料的制备方法，属于化工技术领域。

背景技术

自1991年日本的NEC公司的Iijima发现碳纳米管（Carbon Nanotube, CNT）以来（Iijima S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon. Nature, 1991, 354: 56-58），碳纳米管引起了科学界与产业界的极大重视，成为近年来国际科学研究的热点。它不仅具有独特的一维管状纳米结构，而且同时也是迄今为止发现的唯一兼具超高机械性能、热性能和电性能的超级材料，在微纳米电子器件、能量存储器件、结构和功能复合材料等诸多领域具有广泛的应用前景。

鉴于其优异的综合性能，采用碳纳米管作为填充物与其它材料的复合已成为拓展碳纳米管应用领域的一个重要方向。尤其值得一提的是，碳纳米管与高分子材料的复合可以实现不同材料间的优势互补或加强。目前，现有的研究工作主要以纳米粒子填充高分子材料的形式来制备碳纳米管复合材料，即先对碳纳米管进行表面改性和功能化处理，而后采用溶液或熔融等方法与高分子材料复合，但存在着一些不足，主要表现在：1）在碳纳米管复合材料的制备过程中，常需要对碳纳米管进行表面修饰，进而保证碳纳米管在高分子材料中均匀地分散，但这往往严重地破坏碳纳米管原有的完整结构，最终影响了碳纳米管复合材料的性能；2）在制备碳纳米管复合材料的过程中，常需通过添加溶剂以提高复合材料的加工性能与碳纳米管的分散性，但是，由于所添加的溶剂很难完全地除掉，导致所得碳纳米管复合材料的成分不纯；3）现有研究成果证实，添加低含量的碳纳米管很难达到显著提高复合材料综合性能的目的；而碳纳米管的高比表面积和管间强范德华相互作用力往往导致其与高分子材料混合时的粘度大、极易团聚，因而传统复合材料制备方法（如溶液共混、熔融共混或原位聚合等）均难以得到高含量（>10wt%）、优异分散性的碳纳米管复合材料；4）现有碳纳米管复合材料的制备工艺复杂，成本较高。

针对上述问题，研究者设计出碳纳米管纸/聚合物复合材料，即先将碳纳米管制成碳纳米管纸，再采用不同的方法（如溶液浸渍、熔融浸渍等方法）将其与聚合物复合（Wang Z, Liang ZY, Wang B, Zhang C, Kramer L. Processing and property investigation of single-walled carbon nanotube (SWNT) buckypaper/epoxy resin matrix nanocomposites. Compos Part A-APPL S, 2004, 35: 1225-1232；王佳平, 程群峰, 姜开利, 范守善. 碳纳米管复合材料的制备方法, CN 101456277 A）。这种方法既能克服碳纳米管复合材料高粘度以及难以实现碳纳米管高填充量的难题，又能保证碳纳米管在聚合物中均匀分散，从而获得结构可控、综合性能优异的复合材料。显然，上述研究工作充分显示出了碳纳米管纸用于构筑分散均匀、综合性能优异的碳纳米管复合材料的优越性。

但是，如果将碳纳米管纸用于复合改性热塑性树脂则仍存在许多不足，这是由于热塑性树脂具有高的粘度和优异的耐溶剂性能，因而传统的碳纳米管纸/聚合物复合材料制备方法均无法将热塑性树脂渗入碳纳米管纸中碳纳米管间的孔隙，尤其是表层以内的孔隙，从而难以大幅度地提高复合材料的综合性能。另一方面，热塑性树脂高的粘度往往导致复合材料在成型过程中具有较高的横向剪切力，从而产生微裂纹，甚至破裂，最终无法体现碳纳米管纸用于改性热塑性树脂的优越性。因此，如何探索新颖的碳纳米管纸/热塑性树脂复合材料的制备方法是拓展碳纳米管热塑性树脂复合材料应用领域所亟待解决的关键课题之一。

针对现有碳纳米管纸/热塑性树脂复合材料所存在的问题，提供一种具有优异综合性能的碳纳米管/热塑性树脂复合材料的制备方法，且该制备方法简单、适用性广、成本低廉，从而能够解决碳纳米管热塑性树脂复合材料所亟待解决的关键问题，具有十分重要的应用价值和学术意义。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有优异综合性能的碳纳米管/热塑性树脂复合材料的制备方法，且该制备方法简单、适用性广、成本低廉，从而能够解决碳纳米管热塑性树脂复合材料所亟待解决的关键问题。