表面羧基官能化的碳納米材料及其制備方法和應用技術

本發明專利技術屬于材料技術領域，具體涉及一種表面羧基官能化的碳納米材料及其制備方法和應用。該表面羧基官能化的碳納米材料的制備方法包括以下步驟：（1）含酰氯基的官能化碳納米材料的制備：將100mg碳納米材料加入到100mL的羧化反應促進劑中，超聲分散，加入2g酰氯、3～5g催化劑，反應48～72h，過濾，濾渣即為含酰氯基的官能化碳納米材料；（2）表面羧基官能化的碳納米材料的制備：將100mg步驟（1）制備的含酰氯基的官能化碳納米材料加入到100mL濃度為1mol/L的酸性溶液中，超聲分散，靜止，過濾，將濾渣洗滌，干燥，即得表面羧基官能化的碳納米材料。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于材料
，涉及碳納米材料及其制備方法，具體涉及一種表面羧基官能化的碳納米材料及其制備方法和應用。
技術介紹
碳納米材料是指分散相尺度至少有一維小于IOOnm的碳材料。分散相既可以由碳原子組成，也可以由異種原子(非碳原子)組成，甚至可以是納米孔。碳納米材料主要包括四種類型:石墨烯，碳納米管，碳納米纖維，碳納米球。(I)石墨烯:石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。是一種由碳原子組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的材料。(2)碳納米管:碳納米管是由碳原子形成的石墨片層卷成的無縫、中空的管體，其直徑一般為2 20nm，可分為單壁碳納米管、多壁碳納米管和雙壁碳納米管。(3)碳納米纖維:碳納米纖維是由多層石墨片卷曲而成的纖維狀碳納米材料，它的直徑一般在50 200nm,長度分布在0.5 y m 100 u m,是介于碳納米管和普通碳纖維之間的準一維碳材料，具有較高的結晶取向度、較好的導電和導熱性能。(4)碳納米球:根據尺寸大小將碳球分為:富勒烯族系Cn和洋蔥碳(具有封閉的石墨層結構，直徑在2 20nm之間)，如C60，C70等；未完全石墨化的納米碳球，直徑在50nm 1 u m之間；由于碳納米材料獨特的結構特征，使其具有不同尋常的物理、化學和機械性能等，被認為在一維傳導器、超強復合材料、超硬材料、儲氫材料、催化劑和催化劑載體、高效吸附齊U、吸波材料等領域的具有廣闊的應用前景，受到很多研究者的重視。碳納米材料在水或有機溶劑中的不溶、難分散，導致了在與橡膠、塑料等有機物配合時相容性差。難混入，難分散，不能充分發揮碳納米纖維的優異性能，大大限制了碳納米材料的應用。對碳納米材料表面羧基官能化有深遠的意義，它可以大大拓寬碳納米材料在有機復合物中的應用，制備出性能優異的碳納米復合材料。就碳納米材料的表面羧基官能化而言，目前文獻報道的所采用方法主要為用氧化性酸處理。此方法得到的表面羧基官能化的碳納米材料，表面的羧基數量不可控，且在得到表面羧基的同時，碳納米材料會被截短或破碎，從而破壞了碳納米材料的原有結構。在很多領域的應用，受到了很大的限制。
技術實現思路
為了克服現有技術和方法的缺點和不足，本專利技術的首要目的在于提供一種表面羧基官能化的碳納米復合材料的制備方法。本專利技術的另一個目的在于提供一種通過上述制備方法制備得到的表面羧基官能化的碳納米復合材料。本專利技術還有一個目的在于提供上述表面羧基官能化的碳納米復合材料在碳納米復合材料制備中的應用。本專利技術通過以下技術方案實現的:一種表面羧基官能化的碳納米材料的制備方法，包括以下步驟:(I)含酰氯基的官能化碳納米材料的制備:將IOOmg碳納米材料加入到IOOmL的羧化反應促進劑中，超聲分散，加入I Ilg酰氯、3 5g催化劑，反應，過濾，濾渣即為含酰氯基的官能化碳納米材料；(2)表面羧基官能化的碳納米材料的制備:將IOOmg步驟(I)制備的含酰氯基的官能化碳納米材料加入到IOOmL的酸性溶液中，超聲分散，靜止，過濾，將濾渣洗滌，干燥，即得表面羧基官能化的碳納米材料。步驟(I)所述的碳納米材料為含芳香氫的碳納米材料；其中，優選的芳香氫的碳納米材料為石墨烯、單壁碳納米管、雙壁納米管、多壁碳納米管、碳納米纖維或碳納米球；所述的羧化反應促進劑為甲苯、四氫呋喃、N，N- 二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、氯仿、二氯甲烷中的一種或兩種以上；其中，優選的羧化反應促進劑為N，N- 二甲基甲酰胺或甲苯；所述的超聲分散的時間為5 15min ；所述的酰氯為乙二酰氯、丙二酰氯、丁二酰氯、戊二酰氯、己二酰氯、庚二酰氯、辛二酰氯、壬二酰氯、癸二酰氯、對苯二甲酰氯中的一種或兩種以上；其中，優選的酰氯為乙二酰氯、苯二甲酰氯或辛二酰氯；所述的催化劑為五氧化二磷、三氯化鋁或四氯化錫； 所述的催化劑為三氯化鋁、三氯化鐵、四氯化錫、三氟化硼、五氯化鈮、五氟化銻、五氧化二磷中的一種或兩種以上；其中，優選的催化劑為五氧化二磷、三氯化鋁或四氯化錫； 所述的反應是是溫度20 30°C下反應48 72 ;所述的過濾是用孔徑為0.45 y m的聚偏二氟乙烯或聚四氟乙烯微孔濾膜過濾。步驟(2)所述的酸性水溶液為濃度為lmol/L的鹽酸水溶液、硫酸水溶液、磷酸水溶液中的一種或兩種以上；其中，優選的所述的酸性水溶液為濃度為lmol/L的鹽酸水溶液；所述的超聲分散時間為5 15min ；所述的靜置時間為12h ；所述的過濾是用孔徑為0.45 y m的聚偏二氟乙烯或聚四氟乙烯微孔濾膜過濾。所述的洗滌是用去離子水洗滌3 5次；所述的干燥是在70°C下干燥48h。一種由上述所述的制備方法制備得到的表面羧基官能化的碳納米材料。上述所述的表面羧基官能化的碳納米材料在碳納米復合材料制備中的應用。與現有技術相比，本專利技術的優點在于:目前國內外碳納米管的表面羧基改性主要采用硝酸氧化的方法，相比較而言，本專利技術避免采用強氧化性的強酸。具有以下特點；(I)碳納米材料表面官能化的羧基數量可控；(2)在整個過程中，不破壞碳納米材料的原有結構，不會出現截短或者破碎。附圖說明圖1是實施例2的碳納米纖維和羧基官能化的碳納米纖維的紅外對比圖(附圖標記I代表的是碳納米纖維；附圖標記2代表的是表面羧基官能化的碳納米纖維)。圖2是實施例2的碳納米纖維和表面羧基官能化的碳納米纖維的熱失重曲線(附圖標記I代表的是碳納米纖維；附圖標記2代表的是表面羧基官能化的碳納米纖維)。圖3是實施例2的碳納米纖維原料和羧基官能化的碳納米纖維的掃描電鏡圖(圖3中附圖標記a為碳納米纖 維；附圖標記b為表面羧基官能化的碳納米纖維)。具體實施例方式下面結合實施例對本專利技術作進一步詳細的描述，但本專利技術的實施方式不限于此。實施例1(I)含酰氯基的官能化的碳納米纖維的制備:在250mL三口燒瓶中，加入IOOmg碳納米纖維(成都有機化學有限公司，TNCF)，加入IOOmL的N，N - 二甲基甲酰胺，超聲5min，碳納米纖維分散均勻，然后加入Ig乙二酰氯和3g三氯化鋁，20°C反應72小時，用0.45 ii m聚偏二氟乙烯微孔濾膜過濾分離出濾渣，即為含酰氯基的官能化的碳納米纖維。(2)表面羧基官能化的碳納米纖維的制備:在一個250mL的燒杯中，加入100mLlmol/L的鹽酸水溶液,然后加入IOOmg含酰氯基的官能化的碳納米纖維,超聲分散5分鐘，靜置12小時，然后用0.45 U m聚偏二氟乙烯微孔濾膜過濾，濾渣即為分離出的羧基官能化的碳納米纖維，并用去離子水洗滌3次；最后，真空烘箱70°C干燥48小時，得到表面羧基官能化的碳納米纖維(記為樣品一)。樣品在200 550°C之間的失重是由纖維表面的羧基造成的，則可算出羧基的重量占整個官能化碳納米纖維百分比為1.07% (表2，樣品一)實施例2(I)含酰氯基的官能化的碳納米纖維的制備:在250mL三口燒瓶中，加入IOOmg碳納米纖維(成都有機化學有限公司，TNCF)，加入IOOmL的N，N - 二甲基甲酰胺，超聲5min，碳納米纖維分散均勻，然后加入2g乙二酰氯和3g三氯化鋁，25°C反應48小時，用0.45 ii m聚偏二氟乙烯微孔濾膜過濾分離出濾渣，即為含酰氯基的官能化的碳納米纖維。(2)表面羧基官能化的碳納米纖維的制備:在一個本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種表面羧基官能化的碳納米材料的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：（1）含酰氯基的官能化碳納米材料的制備：將100mg碳納米材料加入到100mL的羧化反應促進劑中，超聲分散，加入1～11g酰氯、3～5g催化劑，反應，過濾，濾渣即為含酰氯基的官能化碳納米材料；（2）表面羧基官能化的碳納米材料的制備：將100mg步驟（1）制備的含酰氯基的官能化碳納米材料加入到100mL的酸性水溶液中，超聲分散，靜止，過濾，將濾渣洗滌，干燥，即得表面羧基官能化的碳納米材料。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：許凱，吳建成，陳鳴才，
申請(專利權)人：中科院廣州化學有限公司，佛山市功能高分子材料與精細化學品專業中心，
類型：發明
國別省市：