[发明专利]一种仿生层状高含量碳纳米管高分子复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生层状高含量碳纳米管高分子复合材料的制备方法，属于纳米复合材料制备领域。

背景技术

碳纳米管(Carbon Nanotube，CNT)因其独特的几何结构和电子能带结构使其具有超高的力学，导电和导热等性能。实验测得多壁碳纳米管的拉伸强度超过100GPa，杨氏模量超过1.0TPa，最大延伸率可达10～12％。另外，碳纳米管的电导率高达10⁵Scm^-1，是碳纤维的1000倍。碳纳米管的导热率高达3000Wm^-1K^-1，使其成为优良的导热材料。碳纳米管在空气中的热稳定性(在空气中500℃以下基本不被氧化)使得它成为优异的阻燃(Flame Retardant)材料，因此碳纳米管被视为新一代轻质高强增韧材料。

但是由于碳纳米管本身具有巨大的比表面积，很容易团聚，很难将高含量的碳纳米管均匀分散在高分子中，导致碳纳米管优异的力学性能很难在高分子复合材料中充分发挥。目前提高碳纳米管在高分子复合材料中体积份数的方法，主要有“Buckypaper”树脂浸润法(Wang，Z.；Liang，Z.Y.；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(10)，1225-1232.)，简单共混法(Shaffer，M.S.P.；Windle，A.H.，Fabrication and characterization of carbon nanotube/poly(vinyl alcohol)composites.Adv Mater 1999，11(11)，937-941.)，层层自组装方法(Mamedov，A.A.；Kotov，N.A.；Prato，M.；Guldi，D.M.；Wicksted，J.P.；Hirsch，A.，Molecular design of strong single-wall carbon nanotube/polyelectrolyte multilayer composites.Nat Mater 2002，1(3)，190-194.)等。但是这些方法中碳纳米管的重量含量低于50％，这大大降低了碳纳米管的增强作用。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种仿生层状高含量碳纳米管复合材料的制备方法，该方法操作简单，易于大面积制备层状高含量碳纳米管高分子复合材料。

本发明是通过下述技术方案实现的：一种仿生层状高含量碳纳米管高分子复合材料的制备方法。

首先将扁平碳纳米管通过原位法或离位法组装成碳纳米管薄膜。所谓原位法即直接合成多层碳扁平碳纳米管薄膜，而离位法则是首先合成扁平碳纳米管，然后将扁平碳纳米管分散在有机溶剂中，采用真空抽滤的办法将碳纳米管过滤成薄膜结构。然后多层扁平碳纳米管薄膜叠加在一起，将高分子稀溶液慢慢渗入到碳纳米管薄膜叠层中，待溶剂挥发完全后。置于涂有脱模剂的模具中，在热压机上加压升温固化，最后脱模即可得到仿生高含量碳纳米管层状复合材料。

所述碳纳米管可为单壁、双壁、多壁扁平碳纳米管；高分子聚合物可为热固性树脂：如环氧、双马来酰亚胺、氰酸酯、聚酰亚胺、酚醛、不饱和聚酯等，也可为热塑性树脂：如聚乙烯醇、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯醚、聚砜等。

所述扁平碳纳米管组装成薄膜结构通过原位法或离位法组装实现，所述原位法即直接合成多层扁平碳纳米管薄膜结构，采用浮动催化裂解法，将纳米铁催化剂镀在金属薄膜，如铜箔等表面，然后将乙烯通入高温反应区中，在金属薄膜表面即可收集到扁平碳纳米管薄膜；所述离位法是首先合成扁平碳纳米管，然后将扁平碳纳米管分散在有机溶剂中，采用真空抽滤的办法将碳纳米管过滤成薄膜结构，具体为首先将二茂铁催化剂粉末置于石英舟中，然后将乙烯通入到高温炉中，粉末状扁平碳纳米管即可获得，将扁平碳纳米管超声分散在有机溶液中，真空抽滤即可得到碳纳米管薄膜。

所述扁平碳纳米管组装成薄膜结构中，其薄膜的厚度范围为10μm-200μm。

所述多层薄膜结构叠加在一起的层数由最终复合材料的厚度决定。