[发明专利]一种碳纳米管的表面修饰方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米技术领域，尤其涉及一种碳纳米管的表面修饰方法。

背景技术

碳纳米管是空心的管状纤维结构，其直径一般为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。碳纳米管的独特结构决定了其既具有碳素材料的固有本性，又具有金属材料的导电和导热性、陶瓷材料的耐热和耐腐蚀性、纺织纤维的可编织性以及高分子材料的轻质易加工性。由于碳纳米管具有上述优异性能，使得其可用于汽车、机械、电子、军事等领域的超级电容器制造，并可与各种金属、非金属及高分子材料复合组成综合性能优异的导电材料、高强度复合材料、屏蔽材料及隐身材料等。

但是由于碳纳米管的纳米级尺寸、大的比表面积及高的长径比，同时碳纳米管分子间较强的范德华力作用，使得碳纳米管容易以团聚状或束状形态出现，由此导致碳纳米管很难分散到各种溶剂中，严重影响了碳纳米管的实际应用，如何有效地分散碳纳米管具有重要的意义。

碳纳米管表面改性是提高其分散性的重要方法。通常采用对碳纳米管进行强酸预处理后，使其表面带有羧基等官能团，然后再进行酰胺化、酯化等枝接反应，从而提高碳纳米管的分散性。但是采用强酸或者混酸处理对碳纳米管具有一定的破坏作用，且常需要较高温度和较长时间，同时处理时容易产生污染性的气体。

在文献J Am Chem Soc，2006，128(32)：10568-10571中，Zheyi Chen等人将单壁碳纳米管在发烟硫酸中浸泡12小时，再加入浓硝酸65℃搅拌2小时，经过滤、洗涤、真空干燥，得到羧基功能化的单壁碳纳米管，处理后的单壁碳纳米管不需要表面活性剂的辅助，就可以很好地分散在极性有机溶剂、酸溶液和水中。但该处理碳纳米管的方式过于激烈，单壁碳纳米管被剪切为极短的碳纳米管(＜60nm)，同时还会产生废水、废酸等污染物。

发明专利申请201310578266.x公开了一种碳纳米管表面改性及分散方法，首先采用强碱和双氧水的混合溶液对碳纳米管的表面进行预处理，然后再用单宁酸对经预处理的碳纳米管进行改性处理，使碳纳米管表面接枝上单宁酸。改性后的碳纳米管在水和有机溶剂中具有良好的分散性能。但是，接枝的单宁酸(C₇₆H₅₂O₄₆)由于结构较为复杂且分子量较大，使得碳纳米管表面引入了较多C、H、O杂质元素。同时该工艺过程要先进行预处理，工艺繁琐。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种碳纳米管的表面修饰方法。该修饰方法采用没食子酸水溶液对碳纳米管进行表面修饰，得到的碳纳米管分散性好，杂质含量低。同时本发明方法不会对碳纳米管造成化学损伤，保持了碳纳米管的完整性，且不产生废水、废酸等污染物，工艺简单，工艺参数容易控制。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明所述碳纳米管的表面修饰方法，包括如下步骤：将碳纳米管加入到没食子酸水溶液中，分散均匀，静置，过滤，取滤渣进行真空干燥，得到经表面修饰的碳纳米管。

没食子酸，又称倍酸、五倍子酸，其化学名为3,4,5-三羟基苯甲酸，化学式为C₆H₂(OH)₃COOH，化学结构式如式I所示，属于多酚类物质，亦属于有机酸。

没食子酸通过自身酚羟基与碳纳米管表面缺陷位点发生结合，从而对碳纳米管进行表面修饰，改善其分散性能，同时由于羧基及羟基等官能团的存在，还可在表面接枝更多官能团及生物功能大分子；另一方面，没食子酸也可以通过非化学作用吸附于碳纳米管表面。二者共同作用更有助于提高碳纳米管的分散性，且不会对碳纳米管发生剪切作用，造成化学损伤。

优选地，所述碳纳米管的重量与没食子酸水溶液的体积之比为0.05～0.5g：20～60ml；进一步优选为0.05～0.2g：30～50ml；最佳优选为0.1g：40ml。通过以上优选，可以进一步提高碳纳米管的分散性。

优选地，所述静置的时间为12～30h。没食子酸较强酸而言，性质较为温和，当静置时间少于12h，反应时间过短，不利于没食子酸与碳纳米管的充分结合；当静置时间长于24h，其修饰作用不再增加。进一步优选为20～25h；最佳优选为24h。

优选地，所述真空干燥的温度为60℃～80℃。当真空干燥的温度低于60℃，干燥效率低；当干燥温度高于80℃，会导致接枝官能团的损坏以及没食子酸与碳纳米管之间非化学作用的减弱。进一步优选为60～70℃，最佳优选为60℃。