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一种利用熔融混合盐分散碳纳米管的方法

1.本发明涉及一种利用熔融混合盐分散碳纳米管的方法，属于纳米碳材料技术领域。利用该方法可以得到不破坏碳纳米管微观结构的分散液，也可以得到较为完整结构的碳纳米管薄膜以及碳纳米管纸，分散方法简单易行，可应用于水系浆料、导电、导热、储热和复合材料等领域。

背景技术：

2.碳纳米管因其特殊的sp2碳杂化结构和一定的柔韧性，具有优异的力学、电学、光学、热学性能，在复合材料及锂离子电池添加剂等领域具有重要应用。但是在实际应用中，碳纳米管的高长径比、管间强范德华力的作用及π-π堆积相互作用，使得纳米管容易聚集和团聚，进而大大限制了其在复合材料及锂离子电池应用领域优异性能的充分发挥。因此，解决有效分散高长径比碳纳米管的难题对其大规模应用和推向市场具有重要意义。
3.碳纳米管分散的本质是碳纳米管的界面与溶剂的相互作用。通过强酸或者强氧化剂等物质与碳纳米管作用，在碳纳米管的表面引入羟基、羧基、磺酸基后，在机械作用力下能够获得分散较好的碳纳米管浆料，这成为目前主流的碳纳米管分散方法。但是在这样的分散方法中，碳纳米管结构被严重破坏，大大降低碳纳米管的本征导电性质和力学强度，并且这些化学方法大多用到大量氧化性酸，污染严重。寻长碳纳米管的分散方法对充分发挥碳纳米管的优异性能至关重要，也为发展和制备新的碳纳米管复合材料带来机遇。
4.基于碳纳米管丰富的π电子，有研究者提出利用发烟硫酸或者等超强酸，可以在碳纳米管界面形成电荷转移，从而利用带电碳纳米管间的斥力形成稳定的分散。他们指出，单壁碳纳米管在强酸体系中的分散行为是强酸作用下范德华力与静电力竞争的结果。虽然使用超强酸能较好的解决碳纳米管分散问题，但是在工业生产中，超级酸是昂贵的，也会增加设备安全和环境问题。
5.本发明选用价格低廉的低熔点铝盐在熔融态下的高密度电荷为主要分散介质，其空轨道与碳纳米管表面的电子相互作用，使碳纳米管之间存在足够强的排斥力，克服强范德华力，获取完美结构的高品质碳纳米管分散液、分散粉体、碳纳米管薄膜以及碳纳米管纸。

技术实现要素：

6.针对当下碳纳米管分散过程中的缺点，本发明的目的在于提供一种低熔点铝盐分散碳纳米管的方法。
7.所述碳纳米管的分散方法，按照如下步骤进行：(1)按照质量分数，分别称取一定量的铝盐和其他盐类配制低熔点的混合熔盐。(2)在混合熔盐中，加入一定质量分数的碳纳米管，均匀混合后，在一定条件下处理1-120小时，获取碳纳米管分散原液。(3)通过洗涤，干燥等方式获取分散后的碳纳米管粉体、薄膜或碳纳米管纸。
8.所述一种低熔点铝盐分散碳纳米管的方法，其特征在于，低熔点铝盐为熔点在500℃以下的溴化铝、氯化铝、碘化铝中的一种。
9.所述一种低熔点铝盐分散碳纳米管的方法，其特征在于，三元混合氯化盐为氯化铝、氯化钠、氯化钾的混合物，其中氯化铝的摩尔分数大于50％。
10.所述一种低熔点铝盐分散碳纳米管的方法，其特征在于，所加入碳纳米管的质量分数为0.01-5％。
11.所述一种低熔点铝盐分散碳纳米管的方法，其特征在于，处理温度为80-150℃。
12.所述一种低熔点铝盐分散碳纳米管的方法，其特征在于，碳纳米管从壁数上分可包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管，从形貌结构上分可包括聚团碳纳米管和阵列碳纳米管。
13.本发明的有益效果：本发明借助熔盐在熔融状态下高的电荷密度，设计出一种新的碳纳米管分散方法。铝盐提供的电子空位与碳纳米管的富π电子之间的相互作用大于碳纳米管自身的范德华力，使得碳纳米管能够在保持其长径比不变的情况下，均匀地分散在熔融铝盐及其混合熔盐中。该分散方法不会对碳纳米管本身造成伤害，可保持其优良性能，直接得到水系碳纳米管分散液、碳纳米管粉体、碳纳米管薄膜以及碳纳米管纸，为碳纳米管的应用提供了良好的条件。该方法操作简便，不使用超强酸强氧化试剂和表面活性剂，绿环保。所用熔盐成本低，适用于大批量的工业化生产。
附图说明
14.图1为本发明实施例1熔盐处理分散碳纳米管后的分散液状态图。
15.图2为本发明实施例1熔盐分散后碳纳米管的扫描电镜图。
16.图3为本发明实施例1熔盐分散后碳纳米管的透射电镜图。
17.图4为本发明实施例1种经过熔盐分散前后的raman光谱对比图。
具体实施方式
18.下面结合具体实施例对发明做进一步说明。
19.实施例1
20.铝盐分散碳纳米管的方法，该方法提出的碳纳米管分散浆料由以下质量配比的物质组成：0.01份的阵列碳纳米管，99.99份的alcl3熔盐。
21.上述一种铝盐分散碳纳米管的方法，按照如下具体步骤进行：
22.(1)称取9.999g纯度为ar级的alcl3和0.001g阵列碳纳米管粉体，搅拌均匀。
23.(2)将混合物置于反应釜内，搅拌加热至220℃，保温12h，获取碳纳米管分散原液。
24.(3)分散原液冷却至室温后，原液凝固，用去离子水溶解凝固的原液，静置抽滤，再分散到去离子水中，重复上述静置和抽滤等步骤，直至洗涤上清液的ph为7，抽滤，冷冻干燥，得到碳纳米管粉末。
25.该分散方法获取的碳纳米管分散液的光学照片如图1所示，从图中可以看出该分散相呈均匀流体，瓶底无沉淀物。
26.该分散方法可有效分散碳纳米管，分散后的碳纳米管扫描电子显微镜照片和透射电子显微镜照片如图2和图3所示，分散后的碳纳米管间不再是阵列排布，而是呈现松散的
交错相连，为碳纳米管成膜提供了可能，管与管之间无明显缠结现象。
27.该分散方法具有无损伤的分散效果，分散前后的碳纳米管拉曼图谱如图4所示，分散后的碳纳米管与分散前的碳纳米管的拉曼图谱的峰位值一致，d/g比接近，说明该分散方法获取的碳纳米管未破坏其微观结构。
28.实施例2
29.铝盐分散碳纳米管的方法，该方法提出的碳纳米管分散浆料由以下质量配比的物质组成：0.05份的阵列碳纳米管，99.5份的albr3熔盐。
30.上述一种铝盐分散碳纳米管的方法，按照如下具体步骤进行：
31.(1)称取9.95g纯度为ar级的albr3和0.05g阵列碳纳米管粉体，搅拌均匀。
32.(2)将混合物置于反应釜内，搅拌加热至150℃，保温12h，获取碳纳米管分散原液。
33.(3)分散原液冷却至室温后，原液凝固，用去离子水溶解凝固的原液，静置抽滤，再分散到去离子水中，重复上述静置和抽滤等步骤，直至洗涤上清液的ph为7，抽滤，冷冻干燥，得到碳纳米管粉末。
34.该方法获取的碳纳米管-溴化铝熔盐分散液呈均匀流体，瓶底无沉淀物，将该分散液放置两周后依然没有分层现象发生。
35.实施例3
36.铝盐分散碳纳米管的方法，该方法提出的碳纳米管分散浆料由以下质量配比的物质组成：0.1份的阵列碳纳米管，99.9份的ali3熔盐。
37.上述一种铝盐分散碳纳米管的方法，按照如下具体步骤进行：
38.(1)称取9.99g纯度为ar级的ali3和0.01g阵列碳纳米管粉体，搅拌均匀。
39.(2)将混合物置于反应釜内，搅拌加热至220℃，保温24h，获取碳纳米管分散原液。
40.(3)分散原液冷却至室温后，原液凝固，用去离子水溶解凝固的原液，静置抽滤，再分散到去离子水中，重复上述静置和抽滤等步骤，直至洗涤上清液的ph为7，抽滤，冷冻干燥，得到碳纳米管粉末。
41.该方法获取的碳纳米管-碘化铝熔盐分散液呈均匀流体，瓶底无沉淀物，将该分散液放置两周后依然没有分层现象发生。
42.实施例4
43.铝盐分散碳纳米管的方法，该方法提出的碳纳米管分散浆料由以下质量配比的物质组成：0.3份的阵列碳纳米管，99.7份的alcl3-nacl-kcl三元混合熔盐。
44.上述一种铝盐分散碳纳米管的方法，按照如下具体步骤进行：
45.(1)按一定摩尔比称取总质量为9.97g纯度为ar级的alcl3、nacl、kcl三元混合盐，充分混合后放入玛瑙研钵中，研磨至三种盐混合均匀，放入反应釜中密封备用；称取0.03g阵列碳纳米管粉体，放入三元混合盐中，搅拌均匀。
46.(2)反应釜内搅拌加热至120℃，保温24h，获取碳纳米管分散原液。
47.(3)分散原液冷却至室温后，原液凝固，用去离子水溶解凝固的原液，静置抽滤，再分散到去离子水中，重复上述静置和抽滤等步骤，直至洗涤上清液的ph为7，抽滤，冷冻干燥，得到碳纳米管粉末。
48.该方法获取的碳纳米管-alcl3-nacl-kcl三元混合熔盐分散液呈均匀流体，瓶底无沉淀物，将该分散液放置两周后依然没有分层现象发生。
49.实施例5
50.铝盐分散碳纳米管的方法，该方法提出的碳纳米管分散浆料由以下质量配比的物质组成：0.5份的阵列碳纳米管，99.5份的alcl3-nacl-kcl三元混合熔盐。
51.上述一种铝盐分散碳纳米管的方法，按照如下具体步骤进行：
52.(1)按一定摩尔比称取总质量为9.95g纯度为ar级的alcl3、nacl、kcl三元混合盐，充分混合后放入玛瑙研钵中，研磨至三种盐混合均匀，放入反应釜中密封备用；称取0.05g阵列碳纳米管粉体，放入三元混合盐中，搅拌均匀。
53.(2)反应釜内搅拌加热至120℃，保温72h，获取碳纳米管分散原液。
54.(3)分散原液冷却至室温后，原液凝固，用去离子水溶解凝固的原液，静置抽滤，再分散到去离子水中，重复上述静置和抽滤等步骤，直至洗涤上清液的ph为7，抽滤，冷冻干燥，得到碳纳米管粉末。
55.该方法获取的碳纳米管-alcl3-nacl-kcl三元混合熔盐分散液呈均匀流体，瓶底无沉淀物，将该分散液放置两周后依然没有分层现象发生。

技术特征：

1.一种利用熔融混合盐分散碳纳米管的方法，其特征在于，按照如下步骤进行：(1)按照质量分数，分别称取一定量的铝盐和其他盐类配制低熔点的混合熔盐；(2)在混合熔盐中，加入一定质量分数的碳纳米管，均匀混合后，在一定条件下处理1-120小时，获取碳纳米管分散原液；(3)通过洗涤和进一步干燥等方式获取分散后的碳纳米管粉体、薄膜或碳纳米管纸。2.根据权利要求1所述的一种利用熔融混合盐分散碳纳米管的方法，其特征在于，所述铝盐为熔点在500℃以下的溴化铝、氯化铝、碘化铝中的一种。3.根据权利要求1所述的一种利用熔融混合盐分散碳纳米管的方法，其特征在于，所述混合熔盐为氯化铝、氯化钠、氯化钾的混合物，其中氯化铝的摩尔分数大于50％。4.根据权利要求1所述的一种利用熔融混合盐分散碳纳米管的方法，其特征在于，所加入碳纳米管的质量分数为0.01-5％。5.根据权利要求1所述的一种利用熔融混合盐分散碳纳米管的方法，其特征在于，混合熔盐的温度在80-150℃。6.根据权力要求1所述的一种利用熔融混合盐分散碳纳米管的方法，所述碳纳米管从壁数上分，可包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管的任意一种。7.根据权利要求1所述的一种利用熔融混合盐分散碳纳米管的方法，其特征在于：所述碳纳米管经分散、洗涤、和干燥后，可以制备成分散的碳纳米管粉体，或者经分散过滤后得到碳纳米管薄膜和碳纳米管纸。

技术总结

本发明公开了一种利用熔融混合盐分散碳纳米管的方法，属于碳纳米管分散技术领域。本发明以熔融态的低熔点铝盐混合物为分散溶剂。本发明采用的铝盐具有高电荷密度，其空轨道可以与碳纳米管表面的电子相互作用，使碳纳米管之间存在足够强的排斥力，以克服范德华力，进而分散碳纳米管。本发明提出的碳纳米管分散相由以下物质组成：低熔点含铝盐的混合熔盐且铝盐比例需要达到一定的摩尔分数。本发明提出的分散方法对碳纳米管的微观结构和长度无显著损伤，可以实现碳纳米管的高长径比分散。此外，该分散方法不同于传统强氧化剂、强酸分散方法，分散条件温和，工艺简单，环境友好，且熔盐价格较低，适宜于大规模生产应用。适宜于大规模生产应用。适宜于大规模生产应用。