[发明专利]硅碳复合纳米管及其制备方法和应用

说明书

本发明公开硅碳复合纳米管及其制备方法和应用，以正硅酸乙酯分散在碳纳米管表面，在惰性气氛中予以热处理，即可在碳纳米管表面原位包覆硅纳米管，形成硅碳复合纳米管结构，在制备过程中可通过调整正硅酸乙酯和碳纳米管的用量，以控制硅碳复合纳米管结构中外层硅纳米管的形貌，进而调控内层碳纳米管与外界的作用效果。本发明的硅碳复合纳米管结构可充分发挥和调整两种纳米管的各自优势，并在材料改性领域具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，更加具体地说，涉及硅碳复合纳米管结构，即通过调整碳纳米管和硅源的用量来实现硅碳复合纳米管结构的制备和调整。

背景技术

碳纳米管自1991年被发现以来，以其优异的电学、力学、热学性质，迅速成为世界范围内的研究热点。然而，尽管碳纳米管自身性能优越，但是实际应用时存在两个亟待解决的问题：一方面，碳纳米管具有极高的长径比和较大的表面能，同时在管与管之间的范德华力的作用下，极易发生团聚，无法在溶液和高分子基体中实现均匀分散；另一方面，碳纳米管表面非常光滑，几乎没有任何的悬挂键，呈现表面惰性，因而与基体的界面相互作用非常差。这两方面的问题导致将未处理的碳纳米管直接加入聚合物基体中得到的复合材料的性能往往无法达到预期要求。这种情况下，碳纳米管的表面功能化修饰便体现出明显的优势。通过化学键及各种物理相互作用在碳纳米管表面修饰有机物分子，一方面可以降低碳纳米管之间的范德华力，抑制碳纳米管的团聚，提高分散性；另一方面，有机物分子链的存在可以有效的改善碳纳米管与基体之间的界面相互作用，有利于碳纳米管增强作用的发挥。一般来说，碳纳米管的表面功能化修饰分为非共价修饰和共价修饰，而共价修饰以其修饰物与碳纳米管之间相互作用强、修饰物可设计性佳等的优点而成为当前最广泛的功能化方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种硅碳复合纳米管结构，即在碳纳米管外表面原位生成硅层，以实现硅管包覆碳纳米管的复合结构，并可通过调整碳纳米管和硅源的用量实现针对碳纳米管外层硅管的调整。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

硅碳复合纳米管，以碳纳米管为内管，在碳纳米管的外壁上设置二氧化硅层，以在碳纳米管外侧形成二氧化硅纳米管。

在硅碳复合纳米管的结构中，碳纳米管和二氧化硅纳米管形成同轴的套管结构，内管为碳纳米管，外管为二氧化硅纳米管。

硅碳复合纳米管的制备方法，将羧基化碳纳米管均匀分散形成悬浊液并调节pH值为碱性，再将正硅酸乙酯加入到羧基化碳纳米管的悬浊液中，充分混合并均匀分散；分离固态物质，在惰性气氛中自室温加热至550—650摄氏度进行热处理，再自然冷却至室温即可。

在进行制备时，将羧基化碳纳米管均匀分散在无水乙醇中形成悬浊液，使用氨水调节pH值为8—10，具体来说，称取羧基化碳纳米管(CNTs-COOH)放入烧杯中，加入无水乙醇，搅拌使CNTs分散充分。将分散液放入超声细胞粉碎机中，冰浴超声处理1h，功率500W，工作时间为3s，间歇时间为2s，称量氨水，快速加入到上述制得的悬浊液中调节pH值为碱性8—10，强力搅拌0.5h，得到羧基化碳纳米管的悬浊液。

在进行制备时，将正硅酸乙酯(TEOS)均匀分散于无水乙醇中，形成均一稳定的正硅酸乙酯溶液，再将正硅酸乙酯溶液加入到羧基化碳纳米管的悬浊液中，具体来说，称量正硅酸乙酯(TEOS)，放入300ml的无水乙醇中，搅拌充分得到均一稳定的溶液。将溶液快速加入悬浊液中，强力搅拌2h获得混合液，再次此混合液放入超声细胞粉碎机中，冰浴超声处理30min(功率500W，工作时间为3s，间歇时间为2s)，处理完成后取出，密封静置24h。