一种均匀碳纳米管溶液的制备方法与流程

1.本发明属于溶液制备技术领域，涉及一种均匀碳纳米管溶液的制备方法。


背景技术：

2.金属基复合材料(metal matrix composites,mmcs)是指基体成分为金属的复合材料。早期mmcs一般采用连续长纤维为增强体，如碳纤维、硼纤维、sic纤维等。长纤维的加入可以提高复合材料的强度、模量、耐磨、导热、抗疲劳、耐高温等多方面的性能，成为先进武器、航空航天等领域极其关键的特种材料。但是，长纤维增强mmcs几乎没有塑性变形能力，高昂的制造成本、过大的加工难度和显著的各向异性使其仅能用于特定的应用场合。碳纳米管cnts是直径在0.3nm到几十纳米，长度可到达几十微米的两边封闭的富勒烯管，管壁由六边形结构的碳组成，有单层(单壁碳纳米管)或多层(多壁碳纳米管)之分。碳纳米管具有优异的力学性能和物理性能。但是碳纳米管由于具有纳米级的管径，比表面积大，比表面能高，因而有很强的团聚趋向，在制备碳纳米管增强金属基复合材料的过程中，关键的步骤就是将碳纳米管均匀，弥散地分散在金属基体中，或使其呈束状分布，避免增强相在基体中团聚形成弱相。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种均匀碳纳米管溶液的制备方法，解决了现有技术中存在的cnts有团聚，易形成弱相问题。
4.本发明所采用的技术方案是，一种均匀碳纳米管溶液的制备方法，具体按照以下步骤实施：
5.步骤1、称取多壁型碳纳米管、两性离子分散剂、异丙醇溶液以及氧化锆磨球；
6.步骤2、将步骤1称取的两性离子分散剂加入容器中，然后加入异丙醇溶液，搅拌得到两性离子分散性溶液a；
7.步骤3、将步骤1称取的多壁型碳纳米管加入两性离子分散性溶液a中，搅拌得到溶液b；
8.步骤4、将溶液b进行超声分散得到溶液c；
9.步骤5、将步骤1称取的氧化锆磨球加入溶液c中，然后通过振动混粉机进行振动，得到均匀碳纳米管溶液。
10.本发明的特点还在于：
11.步骤1中称取的多壁型碳纳米管、两性离子分散剂和异丙醇溶液的质量比为0.1
‑
2.0:0
‑
2.5:50
‑
500，氧化锆磨球数量为5
‑
10颗。
12.步骤1中两性离子分散剂具体为十二烷基二甲基甜菜碱或甜菜碱型两性离子分散剂。
13.步骤2中搅拌是将容器置于磁力搅拌器上，利用磁力棒对溶液进行搅拌。
14.步骤2中磁力搅拌器的转速为400
‑
600r/min，运行时间为10
‑
20min。
15.步骤3中搅拌采用磁力搅拌器，磁力搅拌器的转速为300
‑
500r/min，运行时间为0.5
‑
2h，搅拌过程中容器进行密封。
16.步骤4中超声分散的温度为5
‑
18℃，时间为0.5
‑
1.5h，频率为39
‑
45khz。
17.步骤5中振动混粉机振动频率为40
‑
50hz，时间为0.5
‑
1h。
18.本发明的有益效果是：本发明通过将cnts均匀分散在异丙醇溶液中，制备出均匀的cnts溶液，此溶液在mmcs材料的制备过程中可以直接用来湿法球磨(sbm)，分散后的cnts仍然具有更高的强度(60～110gpa)和刚度、更低的密度(2.1g/cm3)、更大的长径比(100～1000)以及更高的热传导能力(3000～6000w/m
·
k)，因此可在增加金属基体强度的同时降低密度，进一步提高减重效果，使cnts在mmcs的应用中更加广泛。
附图说明
19.图1是本发明一种均匀碳纳米管(cnts)溶液制备方法的制备流程图；
20.图2是本发明实施例1所获得样品的明场tem图；
21.图3是本发明实施例2所获得样品的明场tem图；
22.图4是本发明实施例3所获得样品的明场tem图；
23.图5是本发明实施例4所获得样品的明场tem图。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
25.本发明一种均匀碳纳米管cnts溶液的制备方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
26.步骤1、称取多壁型cnts、两性离子分散剂、异丙醇溶液以及氧化锆磨球，多壁型cnts、两性离子分散剂和异丙醇溶液的质量比为0.1
‑
2.0:0
‑
2.5:50
‑
500，氧化锆磨球数量为5
‑
10颗；
27.步骤2、将步骤1称取的两性离子分散剂加入干净的烧杯，烧杯需干净无水分，再加入步骤1中称取的异丙醇溶液，异丙醇溶液的纯度要99.9％以上，将烧杯放置于磁力搅拌器上，设置磁力搅拌器的运行参数，转速为400
‑
600r/min，运行时间为10
‑
20min，利用磁力棒对溶液进行充分搅拌，使两性离子分散剂完全溶解，若分散剂没有完全溶解，需延长搅拌时间，直到所有分散剂完全溶解，得到两性离子分散性溶液a；
28.步骤3、将步骤1称取的多壁型cnts加入到步骤2得到的两性离子分散性溶液a中，对磁力搅拌器设置运行参数，运行转速为300
‑
500r/min，运行时间为0.5
‑
2h，此过程需要将烧杯杯口密封，以防搅拌过程将溶液挥发，经过充分的搅拌后得到溶液b；
29.步骤4、将步骤3得到的溶液b放入超声机中，超声机工作参数设置为，温度5
‑
18℃，时间为0.5
‑
1.5h，工作频率39
‑
45khz，对溶液b进行超声分散后得到溶液c；
30.步骤5、将步骤4得到的溶液c转入振动混粉机专用瓶密封瓶，加入5
‑
10颗步骤1中称取的直径为10mm的氧化锆磨球，然后将瓶子密封后安装至三维振动混粉机上进行振动能量的输入，振动混粉机工作参数为，振动频率40
‑
50hz，工作时间0.5
‑
1h，振动完成后得到溶液d，即为均匀的cnts溶液。
31.实施例1
32.一种均匀碳纳米管(cnts)溶液的制备方法，具体包括以下几个步骤：
33.步骤1、称取所需原料
34.称取0.3g多壁型cnts、0.3g两性离子分散剂、30g异丙醇溶液以及5颗氧化锆磨球，多壁型cnts、两性离子分散剂和异丙醇溶液的质量比为1：1：100，氧化锆磨球数量为5颗；
35.步骤2、溶解两性离子分散剂
36.将步骤1称取的0.3g两性离子分散剂加入干净的烧杯，烧杯需干净无水分，再加入步骤1中称取的30g异丙醇溶液，异丙醇溶液的纯度要99.9％以上。将烧杯放置于磁力搅拌器上，设置磁力搅拌器的运行参数，转速为500r/min，运行时间为10min，利用磁力棒对溶液进行充分搅拌，使两性离子分散剂完全溶解。若分散剂没有完全溶解，需延长搅拌时间，直到所有分散剂完全溶解。得到两性离子分散性溶液a；
37.步骤3、加入并分散cnts
38.将步骤1称取的0.3g多壁型cnts加入到步骤2得到的两性离子分散性溶液a中，对磁力搅拌器设置运行参数，运行转速为400r/min，运行时间为30min，此过程需要将烧杯杯口密封，以防搅拌过程将溶液挥发。经过充分的搅拌后得到溶液b；
39.步骤4、超声分散cnts溶液
40.将步骤3得到的溶液b放入超声机中，超声机工作参数设置为，温度10℃，时间为30min，工作频率39khz，对溶液b进行超声分散后得到溶液c；
41.步骤5、振动混粉机能量输入
42.将步骤4得到的溶液c转入振动混粉机专用瓶密封瓶，加入5颗步骤1中称取的直径为10mm的氧化锆磨球，然后将瓶子密封后安装至三维振动混粉机上进行振动能量的输入，振动混粉机工作参数为，振动频率40hz，工作时间30min，振动完成后得到溶液d，即为均匀的cnts溶液。
43.本发明实施例1制备的均匀碳纳米管(cnts)溶液的高分辨透射电镜(tem)明场观察如图2所示，结果可看出，cnts为多壁碳纳米管，可以看到明显的管壁中空结构，未见明显缺陷，直径约为10～30nm，层间间距为0.36nm。tem选区电子衍射花样呈现非晶环特征，表明碳纳米管结构完整，分散均匀，符合作为增强体制备复合材料的要求。
44.实施例2
45.一种均匀碳纳米管(cnts)溶液的制备方法，具体包括以下几个步骤：
46.步骤1、称取所需原料
47.称取0.6g多壁型cnts、0.3g两性离子分散剂、60g异丙醇溶液以及7颗氧化锆磨球，多壁型cnts、两性离子分散剂和异丙醇溶液的质量比为2：1：200，氧化锆磨球数量为7颗；
48.步骤2、溶解两性离子分散剂
49.将步骤1称取的0.3g两性离子分散剂加入干净的烧杯，烧杯需干净无水分，再加入步骤1中称取的60g异丙醇溶液，异丙醇溶液的纯度要99.9％以上。将烧杯放置于磁力搅拌器上，设置磁力搅拌器的运行参数，转速为500r/min，运行时间为15min，利用磁力棒对溶液进行充分搅拌，使两性离子分散剂完全溶解。若分散剂没有完全溶解，需延长搅拌时间，直到所有分散剂完全溶解。得到两性离子分散性溶液a；
50.步骤3、加入并分散cnts
51.将步骤1称取的0.6g多壁型cnts加入到步骤2得到的两性离子分散性溶液a中，对
磁力搅拌器设置运行参数，运行转速为400r/min，运行时间为45min，此过程需要将烧杯杯口密封，以防搅拌过程将溶液挥发。经过充分的搅拌后得到溶液b；
52.步骤4、超声分散cnts溶液
53.将步骤3得到的溶液b放入超声机中，超声机工作参数设置为，温度10℃，时间为80min，工作频率40khz，对溶液b进行超声分散后得到溶液c；
54.步骤5、振动混粉机能量输入
55.将步骤4得到的溶液c转入振动混粉机专用瓶密封瓶，加入7颗步骤1中称取的直径为10mm的氧化锆磨球，然后将瓶子密封后安装至三维振动混粉机上进行振动能量的输入，振动混粉机工作参数为，振动频率40hz，工作时间50min，振动完成后得到溶液d，即为均匀的cnts溶液。
56.本发明实施例2制备的均匀碳纳米管(cnts)溶液的高分辨透射电镜(tem)明场观察如图3所示，结果可看出，cnts为多壁碳纳米管，可以看到明显的管壁中空结构，未见明显缺陷，直径约为10～30nm，层间间距为0.28nm。tem选区电子衍射花样呈现非晶环特征，表明碳纳米管结构完整，分散均匀，符合作为增强体制备复合材料的要求。
57.实施例3
58.一种均匀碳纳米管(cnts)溶液的制备方法，具体包括以下几个步骤：
59.步骤1、称取所需原料
60.称取0.6g多壁型cnts、0.6g两性离子分散剂、90g异丙醇溶液以及8颗氧化锆磨球，多壁型cnts、两性离子分散剂和异丙醇溶液的质量比为1：1：150，氧化锆磨球数量为8颗；
61.步骤2、溶解两性离子分散剂
62.将步骤1称取的0.6g两性离子分散剂加入干净的烧杯，烧杯需干净无水分，再加入步骤1中称取的90g异丙醇溶液，异丙醇溶液的纯度要99.9％以上。将烧杯放置于磁力搅拌器上，设置磁力搅拌器的运行参数，转速为500r/min，运行时间为15min，利用磁力棒对溶液进行充分搅拌，使两性离子分散剂完全溶解。若分散剂没有完全溶解，需延长搅拌时间，直到所有分散剂完全溶解。得到两性离子分散性溶液a；
63.步骤3、加入并分散cnts
64.将步骤1称取的0.6g多壁型cnts加入到步骤2得到的两性离子分散性溶液a中，对磁力搅拌器设置运行参数，运行转速为400r/min，运行时间为50min，此过程需要将烧杯杯口密封，以防搅拌过程将溶液挥发。经过充分的搅拌后得到溶液b；
65.步骤4、超声分散cnts溶液
66.将步骤3得到的溶液b放入超声机中，超声机工作参数设置为，温度10℃，时间为60min，工作频率42khz，对溶液b进行超声分散后得到溶液c；
67.步骤5、振动混粉机能量输入
68.将步骤4得到的溶液c转入振动混粉机专用瓶密封瓶，加入8颗步骤1中称取的直径为10mm的氧化锆磨球，然后将瓶子密封后安装至三维振动混粉机上进行振动能量的输入，振动混粉机工作参数为，振动频率50hz，工作时间30min，振动完成后得到溶液d，即为均匀的cnts溶液。
69.本发明实施例3制备的均匀碳纳米管(cnts)溶液的高分辨透射电镜(tem)明场观察如图4所示，结果可看出，cnts为多壁碳纳米管，可以看到明显的管壁中空结构，未见明显
缺陷，直径约为10～30nm，层间间距为0.35nm。tem选区电子衍射花样呈现非晶环特征，表明碳纳米管结构完整，分散均匀，符合作为增强体制备复合材料的要求。
70.实施例4
71.一种均匀碳纳米管(cnts)溶液的制备方法，具体包括以下几个步骤：
72.步骤1、称取所需原料
73.称取0.3g多壁型cnts、0.6g两性离子分散剂、120g异丙醇溶液以及10颗氧化锆磨球，多壁型cnts、两性离子分散剂和异丙醇溶液的质量比为1：2：400，氧化锆磨球数量为10颗；
74.步骤2、溶解两性离子分散剂
75.将步骤1称取的0.6g两性离子分散剂加入干净的烧杯，烧杯需干净无水分，再加入步骤1中称取的120g异丙醇溶液，异丙醇溶液的纯度要99.9％以上。将烧杯放置于磁力搅拌器上，设置磁力搅拌器的运行参数，转速为500r/min，运行时间为20min，利用磁力棒对溶液进行充分搅拌，使两性离子分散剂完全溶解。若分散剂没有完全溶解，需延长搅拌时间，直到所有分散剂完全溶解。得到两性离子分散性溶液a；
76.步骤3、加入并分散cnts
77.将步骤1称取的0.3g多壁型cnts加入到步骤2得到的两性离子分散性溶液a中，对磁力搅拌器设置运行参数，运行转速为400r/min，运行时间为60min，此过程需要将烧杯杯口密封，以防搅拌过程将溶液挥发。经过充分的搅拌后得到溶液b；
78.步骤4、超声分散cnts溶液
79.将步骤3得到的溶液b放入超声机中，超声机工作参数设置为，温度10℃，时间为150min，工作频率45khz，对溶液b进行超声分散后得到溶液c；
80.步骤5、振动混粉机能量输入
81.将步骤4得到的溶液c转入振动混粉机专用瓶密封瓶，加入10颗步骤1中称取的直径为10mm的氧化锆磨球，然后将瓶子密封后安装至三维振动混粉机上进行振动能量的输入，振动混粉机工作参数为，振动频率50hz，工作时间40min，振动完成后得到溶液d，即为均匀的cnts溶液。
82.本发明实施例4制备的均匀碳纳米管(cnts)溶液的高分辨透射电镜(tem)明场观察如图5所示，结果可看出，cnts为多壁碳纳米管，可以看到明显的管壁中空结构，未见明显缺陷，直径约为10～30nm，层间间距为0.34nm。tem选区电子衍射花样呈现非晶环特征，表明碳纳米管结构完整，分散均匀，符合作为增强体制备复合材料的要求。
83.下面通过试验对本发明制备均匀碳纳米管(cnts)溶液的分散效果进行进一步说明。
84.取四种样品：
85.(一)本发明实施例1制备的均匀碳纳米管(cnts)溶液，为样品1；
86.(二)与本发明实施例1的区别仅仅在于步骤1中称取cnts质量为0.6g、异丙醇质量为60g，磨球数量为7颗，步骤2中搅拌的时间为15min，步骤3的搅拌时间为45min，步骤4中超声频率为40khz，超声时间为80min，步骤5中振动混粉机运行时间为30min，其他内容与本发明实施例1相同，在此不做赘述，制备得到的均匀碳纳米管(cnts)溶液样品2；
87.(三)与本发明实施例1的区别仅仅在于步骤1中称取cnts质量为0.6g、两性离子分
散剂质量为0.6g，异丙醇质量为90g，磨球数量为8颗，步骤3的搅拌时间为50min，步骤4中超声频率为42khz，超声时间为60min，步骤5中振动混粉机振动频率为50hz，运行时间为30min，其他内容与本发明实施例1相同，在此不做赘述，制备得到的均匀碳纳米管(cnts)溶液样品3；
88.(四)与本发明实施例1的区别仅仅在于步骤1中称取两性离子分散剂质量为0.6g，异丙醇质量为120g，磨球数量为10颗，步骤2中搅拌时间为20min，步骤3的搅拌时间为60min，步骤4中超声频率为45khz，超声时间为150min，步骤5中振动混粉机振动频率为50hz，运行时间为40min，其他内容与本发明实施例1相同，在此不做赘述，制备得到的均匀碳纳米管(cnts)溶液样品4；
89.从结果可以看出，随着cnts的含量变化，tem中cnts的密度也在发生着变化，经过分散后的cnts结构完整，可以看到明显的管壁中空结构，未见明显缺陷，直径约为10～30nm，层间间距为0.28
‑
0.36nm，cnts长度在200nm以上，分散均匀，符合复合材料制备的要求。