[发明专利]均匀稳定分散碳纳米管与石墨烯的分子体系以及分散工艺

说明书

一种均匀稳定分散碳纳米管与石墨烯的分子体系以及分散工艺，通过将碳纳米管和/或石墨烯粉体放入溶剂中，经过机械分散，以分子中的NH₂氨基官能团与碳纳米管和石墨烯形成NH‑π极性相互作用，实现碳纳米管和/或石墨烯的完全溶解。本发明可在溶液中将碳纳米管分散为单碳管状态，将石墨烯分散为单层石墨状态，简化了碳纳米管和/或石墨烯增强环氧树脂基复合材料的制备，简化了碳纳米管和/或石墨烯的分散工艺，成本低，耗时短，不产生缺陷。

技术领域

本发明涉及的是一种碳纳米材料领域的材料与技术，具体是一种均匀稳定分散碳纳米管与石墨烯的分子体系以及分散工艺。

背景技术

碳纳米管与石墨烯是具有极高导电率、导热率和机械性能的纳米材料。碳纳米管的直径通常在0.5～20nm之间，其长度通常在微米级别；石墨烯只有一个原子层，其厚度仅为0.3nm，而面积通常在微米级别。这使得碳纳米管与石墨烯非常容易团聚，形成大的颗粒或管束，而管与管之间、层与层之间的范德华力会导致声子与电子传输的散射，造成机械性能、导电率以及导热率的大幅下降。当前碳纳米管与石墨烯年产量已达十万吨级别，几乎全部是以大的颗粒与粉末的形式，无法直接应用于电池储能，汽车与飞机的复合材料结构件等领域。因此，碳纳米管以及石墨烯的有效分散问题是制约碳纳米管以及石墨烯广泛应用的最关键技术问题。当前的分散技术基于共价键修饰，使用强氧化性酸在碳纳米管的管壁添加羧基或羟基等官能团，利用官能团之间的排斥力可以克服碳纳米管之间的范德华力。但是，官能团的加入会引入大量的缺陷，并进一步导致声子与电子传输的散射，破坏碳管之间的载流子传输通道，引起性能的大幅下降，且无法去除。目前尚未有文献报告具有高效碳纳米管以及石墨烯分散性能的分子溶剂体系，以及实现高效碳纳米管以及石墨烯分散性能的方法。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种均匀稳定分散碳纳米管与石墨烯的分子体系以及分散工艺，可以通过NH-π极性相互作用对碳纳米管和石墨烯进行有效分散。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种采用带有NH₂氨基官能团的分子体系的优化分散方法，通过将碳纳米管和/或石墨烯粉体放入溶剂中，经过机械分散，以分子中的NH₂氨基官能团与碳纳米管和石墨烯形成NH-π极性相互作用，实现碳纳米管和/或石墨烯的完全溶解。

所述的带有NH₂氨基官能团的分子体系包含带有NH₂氨基官能团的芳香烃类分子或带有NH₂氨基官能团的环己烷类分子。

所述的带有NH₂氨基官能团的分子体系为以下任意一种：

①带有NH₂氨基官能团的芳香烃类分子，优选为：二乙基甲苯二胺(DETDA)，其分子结构为或者是：

②带有NH₂氨基官能团的环己烷类分子，优选为：3,3'-二甲基-4,4-二氨基二环己基甲烷(DMDC/MACM)，其分子结构为：

所述的碳纳米管和/或石墨烯粉体的质量分数为0.001wt％到95wt％，具体是指：1)仅碳纳米管粉末，质量分数为0.001wt％到95wt％、2)仅石墨烯粉末，质量分数为0.001wt％到95wt％或3)碳纳米管和石墨烯粉末以任意比例混合，混合物的质量分数为0.001wt％到95wt％。

所述的机械分散采用但不限于0℃～100℃温度范围内的探针超声波、水浴超声、搅拌、研磨。

所述的溶剂中的碳纳米管和石墨烯粉为稀溶液、浓溶液、浆料或膏体，分散的碳纳米管的管束平均直径2nm，得到的分散良好的单根碳纳米管；分散的石墨烯可达单层分散效果。