專利名稱：聚合物/碳納米管復(fù)合材料及其原位本體聚合的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚合物/碳納米管復(fù)合材料及其原位本體聚合的制備方法。
二、背景條件碳納米管(CNTs)自90年代初由日本學(xué)者Iijima發(fā)現(xiàn)以來(Iijima S.，Nature，1991，354(7)，56-58)，立即引起科學(xué)界及產(chǎn)業(yè)界的極大重視，是近年來國際科學(xué)研究的熱點(diǎn)。碳納米管分為多壁碳納米管(MWNTs)和單壁碳納米管(SWNTs)，由六元環(huán)組成的石墨片層結(jié)構(gòu)卷曲而形成的同心圓筒構(gòu)成，隨直徑和螺旋性的不同，碳納米管可呈現(xiàn)金屬或半導(dǎo)體特性。碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能，強(qiáng)度比鋼高100倍，比重只有鋼的1/6。此外碳納米管具有優(yōu)異的微波吸收特性，可用于電磁屏蔽或吸波材料等。特別地，碳納米管/聚合物復(fù)合材料自Ajayan等首次報(bào)道以來已成為世界科學(xué)研究的熱點(diǎn)(AjayanP.M.，Stephan O.，Colliex C.，Tranth D.Science，1994，265，1212-1215；Calvert P.，Nature，1999，399，210-211)。碳納米管與聚合物的復(fù)合可以實(shí)現(xiàn)組元材料的優(yōu)勢互補(bǔ)或加強(qiáng)，最經(jīng)濟(jì)有效地利用碳納米管的獨(dú)特性能，是碳納米管穩(wěn)定化的有效途徑。碳納米管/聚合物復(fù)合材料在信息材料、生物醫(yī)用材料、隱身材料、催化劑、高性能結(jié)構(gòu)材料、多功能材料等方面有著廣闊的應(yīng)用前景，碳納米管具有高的長徑比和中空的結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，可作為一種超級纖維，對復(fù)合材料起到增強(qiáng)作用。同時(shí)由于碳納米管特殊電性能，形成的復(fù)合材料可具有抗靜電、微波吸收和電磁屏蔽等性能?？稍谝韵骂I(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景(1)空間飛行器、雷達(dá)、計(jì)算室外殼，信號處理室外殼，(2)電子部件，(3)汽車外殼和部件，(4)納米智能纖維等。聚合物/碳納米管復(fù)合材料一般通過溶液、熔融混合以及原位聚合制備，但由于碳納米管易于聚集和纏結(jié)，到目前為止，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測仍相距甚遠(yuǎn)。需要解決的關(guān)鍵問題是碳納米管在聚合物基體中的分散和取向問題(Thostenson E T，Ren Z，Chou T-W，Composites Science and Technology，2001，61，1899-1912)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種聚合物/碳納米管復(fù)合材料及其原位本體聚合的制備方法，其特點(diǎn)是利用超聲波的分散、粉碎、活化、引發(fā)等多重作用，破壞碳納米管本身的聚集和纏繞，在實(shí)現(xiàn)碳納米管在液相單體中納米分散的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)單體原位本體聚合，制備高性能、多功能聚合物/碳納米管復(fù)合材料。實(shí)現(xiàn)碳納米管的穩(wěn)定化和復(fù)合化，解決碳納米管在聚合物基體中的分散問題。
本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)的，其中所述原料分?jǐn)?shù)除特殊說明外，均為重量份數(shù)。
聚合物/碳納米管復(fù)合材料起始原料的配方組分為單體 5～300份碳納米管 0.1～600份引發(fā)劑 0.1～10份助劑 0.1～20份其中，單體為甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯、丁二烯、和/或丙烯腈至少一種。碳納米管為平均管徑為0.5-200nm，長度為200nm-20μm的單壁碳納米管和/或多壁碳納米管至少一種。引發(fā)劑為過氧化苯甲酰和或偶氮二異丁腈至少一種，助劑為吐溫、曲拉通、OP表面活性劑、十六烷基三甲基溴化胺、司班、聚丙烯酸鹽、聚甲基丙烯酸鹽、C12～C18高級脂肪酸、硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑和/或鋁酸酯偶聯(lián)劑至少一種。
聚合物/碳納米管復(fù)合材料的原位本體聚合的制備方法將平均管徑為0.5～200nm，長度為200nm～20μm的單壁碳納米管和/或多壁碳納米管0.01～10份，單體5～95份，引發(fā)劑0.1～10份和助劑0.1～20份加入超聲輻照反應(yīng)器中，通入氮?dú)饧s2～10分鐘，通氮?dú)馑俾蕿?.1～50毫升/分鐘，通循環(huán)水浴溫度為30～80℃，啟動(dòng)超聲波儀，進(jìn)行聚合反應(yīng)，超聲功率為50～1500w，頻率為2×104～109Hz，反應(yīng)時(shí)間為5分鐘～5小時(shí)，得到粘稠可流動(dòng)的預(yù)聚物，再將預(yù)聚物倒入模具中，在50～150℃下固化4～12小時(shí)成型。
聚合物/碳納米管復(fù)合材料可用于導(dǎo)電、抗靜電、導(dǎo)熱、電磁屏蔽、微波吸收，低電阻加熱和隔聲領(lǐng)域本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1) 能實(shí)現(xiàn)碳納米管分散的同時(shí)進(jìn)行聚合包裹反應(yīng)；(2) 反應(yīng)溫度較低；(3) 反應(yīng)速率快；(4) 引發(fā)劑用量少；(5) 對環(huán)境無污染。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體描述。有必要在此指出的是以下實(shí)施例只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)明內(nèi)容對本發(fā)明作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
實(shí)施例1.將平均管徑為20～40nm，管長約1μm～10μm的碳納米管0.5g、甲基丙烯酸甲酯100ml，過氧化苯甲酰0.3克，加入到超聲輻照反應(yīng)器中，通入氮?dú)饧s2分鐘，并控制水浴溫度70℃。然后啟動(dòng)VC-1500超聲波儀器(Sonic & Materials Co.USA)，開始聚合反應(yīng)，反應(yīng)過程中超聲波功率為600w，頻率為20kHz，氮?dú)馑俾蕿?0毫升/分鐘保持恒定。反應(yīng)20分鐘，得到粘稠可流動(dòng)的預(yù)聚物，將預(yù)聚物倒入事先準(zhǔn)備好的玻璃模具中，在50℃下固化4小時(shí)，80℃下固化2小時(shí)，100℃下固化2小時(shí)，120℃下固化2小時(shí)，緩慢冷卻至室溫，將碳納米管/聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合板從模具中取出，得到高光澤的碳納米管/聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合板材。
2.將平均管徑為20～40nm，管長約1μm～10μm的碳納米管1g、甲基丙烯酸甲酯70ml，丙烯酸丁酯30ml，過氧化苯甲酰0.5克，加入到超聲輻照反應(yīng)器中，通入氮?dú)饧s2分鐘，并控制水浴溫度70℃。然后啟動(dòng)VC-1500超聲波儀器(Sonic & Materials Co.USA)，開始聚合反應(yīng)，反應(yīng)過程中超聲波功率為600w，頻率為20kHz，氮?dú)馑俾蕿?0毫升/分鐘保持恒定。反應(yīng)20分鐘，得到粘稠可流動(dòng)的預(yù)聚物，將預(yù)聚物倒入事先準(zhǔn)備好的玻璃模具中，在50℃下固化4小時(shí)，80℃下固化2小時(shí)，100℃下固化2小時(shí)，120℃下固化2小時(shí)，緩慢冷卻至室溫，將碳納米管/聚(甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯)復(fù)合板從模具中取出，得到高光澤的碳納米管/(聚甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯)復(fù)合板材。
3.將平均管徑為5～10nm，管長為500nm～5μm碳納米管2g、苯乙烯100ml，過氧化苯甲酰0.5克，加入到超聲輻照反應(yīng)器中，通入氮?dú)饧s2分鐘，并控制水浴溫度65℃。然后啟動(dòng)VC-1500超聲波儀器(Sonic & Materials Co.USA)，開始聚合反應(yīng)，反應(yīng)過程中超聲波功率為600w，頻率為20kHz，氮?dú)馑俾蕿?0毫升/分鐘保持恒定。反應(yīng)25分鐘，得到粘稠可流動(dòng)的預(yù)聚物，將預(yù)聚物倒入事先準(zhǔn)備好的玻璃模具中，在50℃下固化6小時(shí)，80℃下固化4小時(shí)，100℃下固化2小時(shí)，120℃下固化2小時(shí)，緩慢冷卻至室溫，將碳納米管/聚苯乙烯復(fù)合板從模具中取出，得到高光澤的碳納米管/聚苯乙烯復(fù)合板材。
4.將平均管徑為5～10nm，管長為500nm～5μm碳納米管2g、苯乙烯80ml，丙烯酸丁酯20ml，過氧化苯甲酰0.5克，加入到超聲輻照反應(yīng)器中，通入氮?dú)饧s2分鐘，并控制水浴溫度65℃。然后啟動(dòng)VC-1500超聲波儀器(Sonic & Materials Co.USA)，開始聚合反應(yīng)，反應(yīng)過程中超聲波功率為600w，頻率為20kHz，氮?dú)馑俾蕿?0毫升/分鐘保持恒定。反應(yīng)25分鐘，得到粘稠可流動(dòng)的預(yù)聚物，將預(yù)聚物倒入事先準(zhǔn)備好的玻璃模具中，在50℃下固化4小時(shí)，80℃下固化4小時(shí)，100℃下固化2小時(shí)，120℃下固化2小時(shí)，緩慢冷卻至室溫，將碳納米管/聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯)復(fù)合板從模具中取出，得到高光澤的碳納米管/聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯)復(fù)合板材。
權(quán)利要求
1.聚合物/碳納米管復(fù)合材料，其特征在于起始原料的配方組分(按重量計(jì))為單體 5～300份碳納米管 0.1～600份引發(fā)劑 0.1～10份助劑 0.1～20份其中，單體為甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯、丁二烯和/或丙烯腈至少一種，碳納米管為平均管徑為0.5～200nm，長度為200nm～20μm的單壁碳納米管和/或多壁碳納米管至少一種，引發(fā)劑為過氧化苯甲酰和或偶氮二異丁腈至少一種，助劑為吐溫、曲拉通、OP表面活性劑、十六烷基三甲基溴化胺、司班、聚丙烯酸鹽、聚甲基丙烯酸鹽、C12～C18高級脂肪酸、硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑和/或鋁酸酯偶聯(lián)劑至少一種。
2.按照權(quán)利要求1所述聚合物/碳納米管復(fù)合材料的原位本體聚合的制備方法，其特征在于將平均管徑為0.5～200nm，長度為200nm～20μm的單壁碳納米管和/或多壁碳納米管0.01～10份，單體5～95份，引發(fā)劑0.1～10份和助劑0.1～20份加入超聲輻照反應(yīng)器中，通入氮?dú)饧s2～10分鐘，通氮?dú)馑俾蕿?.1～50毫升/分鐘，通循環(huán)水浴溫度為30～80℃，啟動(dòng)超聲波儀，進(jìn)行聚合反應(yīng)，超聲功率為50～1500w，頻率為2×104～109Hz，反應(yīng)時(shí)間為5分鐘～5小時(shí)，得到粘稠可流動(dòng)的預(yù)聚物，再將預(yù)聚物倒入模具中，在50～150℃下固化4～12小時(shí)成型。
3.按照權(quán)利要求書1或2所述的聚合物/碳納米管復(fù)合材料的用途，其特征在于該材料可用于導(dǎo)電、抗靜電、導(dǎo)熱、電磁屏蔽、微波吸收，低電阻加熱和隔聲領(lǐng)域。
全文摘要
聚合物/碳納米管復(fù)合材料及其原位本體聚合的制備方法，其特點(diǎn)是利用超聲波的分散、粉碎、活化、引發(fā)等多重作用，破壞碳納米管本身的聚集和纏繞，在實(shí)現(xiàn)碳納米管在液相單體中納米分散的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)單體的原位本體聚合，制備高性能、多功能聚合物/碳納米管復(fù)合材料。實(shí)現(xiàn)碳納米管的穩(wěn)定化和復(fù)合化，解決了碳納米管在聚合物基體中的均勻分散，獲得了優(yōu)異的力學(xué)性能和電性能的復(fù)合材料。
文檔編號C08L33/04GK1410454SQ0211345
公開日2003年4月16日 申請日期2002年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月14日
發(fā)明者夏和生, 王琪, 熊善新, 華正坤 申請人:四川大學(xué)