一种碳纳米管分散剂、制备方法及分散系统与流程

本发明涉及碳纳米管分散助剂，具体涉及一种碳纳米管分散剂、制备方法及分散系统。

背景技术：

1、碳纳米管凭借优异的导电、力学、热稳定性能，在新能源电池导电浆料、功能性涂料、复合材料等领域应用前景广阔。但碳纳米管间存在强烈的范德华力与π-π共轭作用，极易发生团聚，难以在液相中实现稳定、均匀的单根分散，制约了其规模化应用。

2、现有技术中，碳纳米管分散技术多采用传统表面活性剂或单一高分子分散剂，普遍存在锚固结合力弱、分散稳定性差、体系适配性不足等问题。现有分散剂多依赖单纯物理吸附或强不可逆化学结合实现分散，物理吸附在剪切、长期储存或冻融条件下易脱附，导致碳纳米管重新团聚。同时，现有分散体系难以实现多组分协同增效，无法同步完成强锚固、高效水化、三维结构支撑与动态网络构建，在抗离子干扰、ph适应性、触变性调控及可逆再分散性能等方面存在显著局限，难以满足高端应用对碳纳米管分散体系的严苛要求。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种碳纳米管分散剂、制备方法及分散系统。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供了一种碳纳米管分散剂，以100重量份计，其制备原料包括：多壁碳纳米管4-8份、多巴胺改性透明质酸2-5份、磺酸钠基氟硅氧烷共聚物1-3份、乙烯基吡咯烷酮/乙烯基咪唑共聚物5-10份、鼠李糖脂0.5-2.0份、合成锂皂石1-4份、3-羧基苯硼酸0.3-1.0份、植酸0.1-0.5份、磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系0.2-1.0份、无水乙醇5-15份，余量为去离子水，补足至100重量份。

4、采用上述技术方案，多巴胺改性透明质酸可通过苯环结构、羟基及酰胺键与多壁碳纳米管表面形成π-π作用及氢键作用，同时可与3-羧基苯硼酸形成动态共价键；磺酸钠基氟硅氧烷共聚物可铺展于多壁碳纳米管表面并形成水化层，产生空间位阻与静电排斥力；乙烯基吡咯烷酮/乙烯基咪唑共聚物可与多壁碳纳米管形成配位作用，同时可与多巴胺改性透明质酸、磺酸钠基氟硅氧烷共聚物形成相互作用，增强各组分协同性；鼠李糖脂可作用于多壁碳纳米管束间，降低体系表面张力，促进多壁碳纳米管润湿；合成锂皂石可形成三维网络结构，提升体系稳定性；在体系弱碱性环境下，3-羧基苯硼酸可与多巴胺改性透明质酸的邻苯二酚结构形成动态可逆硼酸酯键，参与构建动态交联网络；植酸可螯合体系中多价金属离子，抑制离子诱导絮凝，提升体系抗电解质干扰能力；磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系可调节并维持体系ph稳定；无水乙醇与去离子水作为分散介质，为各组分提供分散环境，各组分协同作用可实现多壁碳纳米管的高效分散，提升分散体系的稳定性。

5、优选地，所述多壁碳纳米管的管径为8-15nm，长度为0.5-2μm，比表面积为220-300m2/g；所述乙烯基吡咯烷酮/乙烯基咪唑共聚物中乙烯基吡咯烷酮与乙烯基咪唑的摩尔比为1:1，其重均分子量为40000-50000；所述磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系的ph为6.8-7.5。

6、采用上述技术方案，对多壁碳纳米管的尺寸与比表面积进行限定，可提供充足的表面活性位点，便于各分散组分在其表面吸附；乙烯基吡咯烷酮/乙烯基咪唑共聚物的组成与分子量限定，可使该共聚物既与多壁碳纳米管形成稳定配位作用，又能与体系中其他组分形成协同作用，增强体系相容性；ph为6.8-7.5的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系可维持分散体系的酸碱度稳定，为各组分间的相互作用与反应提供适宜环境，保障分散体系的稳定性。

7、优选地，所述多巴胺改性透明质酸的制备方法包括如下步骤：

8、1）将重均分子量为50000-60000da的透明质酸溶于2-吗啉乙磺酸缓冲液中，配制成质量浓度为0.8%-1.2%的溶液，在20-30℃下以300-500r/min搅拌溶解4-6h；

9、2）向步骤1）所得溶液中加入多巴胺盐酸盐和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐，在氮气保护、20-30℃条件下，以300-500r/min搅拌反应20-28h；

10、其中，多巴胺盐酸盐与透明质酸的质量比为0.2-0.3:1，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐与透明质酸的质量比为0.35-0.45:1；

11、3）将步骤2）所得反应液装入截留分子量为3500-5000da的透析袋中，用去离子水透析24-36h，每6-8h换水一次，随后经冻干处理，得到多巴胺改性透明质酸。

12、采用上述技术方案，将重均分子量为50000-60000da的透明质酸溶于2-吗啉乙磺酸缓冲液配制成指定浓度的溶液，通过控制搅拌速度和温度使透明质酸充分溶解；向该溶液中加入特定比例的多巴胺盐酸盐和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐，在氮气保护及特定温度、搅拌条件下进行反应，使多巴胺盐酸盐与透明质酸发生接枝反应；将反应液经指定截留分子量的透析袋透析去除杂质，再经冻干处理，得到多巴胺改性透明质酸；该制备方法可使多巴胺盐酸盐稳定接枝于透明质酸分子链上，获得结构均一的多巴胺改性透明质酸，且透析与冻干处理可保证产物纯度，避免杂质残留。

13、优选地，步骤3）中，所述冻干处理的温度为-55～-45℃，真空度为10-30pa，时间为24-36h。

14、采用上述技术方案，可避免高温干燥对多巴胺改性透明质酸结构造成破坏，保障产物的结构完整性，且可充分去除水分，提高多巴胺改性透明质酸的纯度。

15、优选地，所述磺酸钠基氟硅氧烷共聚物的制备方法包括如下步骤：

16、（1）将含氢氟硅油与3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸钠按质量比1.0-1.5:1溶于无水甲苯中，配制成总质量浓度为25%-35%的溶液，通入氮气除氧25-35min；

17、（2）向步骤（1）所得溶液中加入占反应原料总质量0.3%-0.7%的karstedt催化剂，升温至85-95℃，在氮气保护下以400-600r/min搅拌反应6-8h；

18、（3）反应结束后，将步骤（2）所得反应液在40-50℃、真空度-0.09～-0.08mpa的条件下减压蒸馏除去无水甲苯，用乙酸乙酯洗涤2-4次，随后在45-55℃、真空度-0.09～-0.08mpa的条件下真空干燥20-24h，得到磺酸钠基氟硅氧烷共聚物。

19、采用上述技术方案，将含氢氟硅油与3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸钠溶于无水甲苯配制成指定浓度溶液并通入氮气除氧，可排除氧气对反应的干扰；加入karstedt催化剂并控制反应温度与搅拌速度进行反应，能促使含氢氟硅油与3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸钠发生加成反应，实现磺酸钠侧链在氟硅氧烷主链上的接枝；反应结束后通过减压蒸馏除去无水甲苯、乙酸乙酯洗涤及真空干燥，可去除反应体系中的溶剂与杂质，得到高纯度的磺酸钠基氟硅氧烷共聚物。

20、本发明还提供了一种碳纳米管分散剂的制备方法，包括如下步骤：

21、s1、将多壁碳纳米管平铺于等离子体处理设备的石英舟中，经等离子体活化处理，得到活化碳纳米管；

22、s2、将去离子水加热至35-40℃，加入多巴胺改性透明质酸，以400-600r/min搅拌30-40min至完全溶解，降温至15-20℃，加入磺酸钠基氟硅氧烷共聚物，继续搅拌15-20min；再加入鼠李糖脂、乙烯基吡咯烷酮/乙烯基咪唑共聚物、3-羧基苯硼酸，继续搅拌20-30min至均一；随后加入植酸和磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系，使体系ph维持在6.8-7.5，最后加入无水乙醇，以300-500r/min搅拌10-15min，得到预混液；

23、s3、向步骤s2所得预混液中分3-4批次加入步骤s1所得活化碳纳米管，每批次间隔3-5min，每批加入后以高速剪切乳化机于6000-8000r/min转速处理8-12min，控制料液温度不超过25℃，得到粗分散浆料；

24、s4、将步骤s3所得粗分散浆料预热至40-50℃，通过高压微射流均质机在90-110mpa压力下循环处理4-6次，单次通过时间为1-2min；

25、s5、以200-400r/min对步骤s4所得浆料进行搅拌，加入合成锂皂石，搅拌40-60min至体系均匀无团聚颗粒，将浆料转移至陈化罐，在4-8℃下静置陈化18-24h，随后进行搅拌均质，得到碳纳米管分散剂。

26、采用上述技术方案，等离子体活化处理可在多壁碳纳米管表面引入含氧官能团，增强其与分散剂组分的相互作用；步骤s2中，通过控制温度与搅拌速度，可使各分散组分充分混合，同时避免提前交联形成凝胶，保障后续分散效果；分批次加入活化碳纳米管并配合高速剪切乳化，可避免碳纳米管团聚，确保其初步分散；步骤s4中的高压微射流均质处理能有效拆解碳纳米管束，实现单根分散；步骤s5中低速搅拌加入合成锂皂石可避免其片层结构被破坏，低温静置陈化能让各组分充分反应并在碳纳米管表面实现稳定吸附，最终得到分散均匀、稳定性良好的碳纳米管分散剂；整个制备工艺可确保各组分协同作用得以发挥，保障分散剂的分散效果、流变性能及长期稳定性。

27、优选地，步骤s1中，等离子体活化处理的条件为：功率120-180w、氧气流量50-100ml/min、真空度10-30pa、处理时间6-10min。

28、采用上述技术方案，可在多壁碳纳米管表面引入羟基、羧基等含氧官能团；这些官能团能增强多壁碳纳米管与多巴胺改性透明质酸之间的氢键相互作用，提升分散剂在碳纳米管表面的锚固强度；同时增加碳纳米管表面活性位点，便于分散剂组分在其表面吸附重排，为后续高效分散提供基础。

29、优选地，步骤s3中，每批次加入的所述活化碳纳米管质量相等。

30、采用上述技术方案，可使活化碳纳米管在预混液中均匀分布，避免单次加入过多导致局部浓度过高，进而减少碳纳米管因局部聚集而产生的团聚现象。

31、优选地，步骤s5中，搅拌均质的条件为：以200-300r/min搅拌均质10-20min。

32、采用上述技术方案，可使熟化后的碳纳米管分散体系混合均匀，确保合成锂皂石片层、多巴胺改性透明质酸、磺酸钠基氟硅氧烷共聚物等分散组分在体系中均匀分布；同时能促进分散剂在碳纳米管表面的充分重排吸附，保障硼酸酯交联网络的均匀性，避免局部浓度过高或过低导致的分散不稳定。

33、本发明还提供了一种碳纳米管分散剂的分散系统，包括混合腔体、搅拌器、监测和控制系统、等离子体表面处理设备、温控预混罐、高压微射流均质机、陈化罐；

34、混合腔体为内壁光滑的圆筒形或椭圆形腔体，内部设有多个混合区域，以提高浆料流动性；混合腔体采用耐腐蚀、耐磨损材料制成，所述材料为不锈钢或聚四氟乙烯；

35、搅拌器采用多级螺旋搅拌器或高剪切搅拌器；

36、监测和控制系统配备温度、压力传感器，实时监控设备运行状态，集成控制面板，用于调整搅拌速度、温度和压力；

37、等离子体表面处理设备，可控制功率为100-300w，真空度为1-100pa；

38、温控预混罐，带夹套，控温范围为5-80℃，控温精度为±1℃，配备高速剪切乳化机，转速为0-15000r/min；

39、高压微射流均质机，最大压力为200mpa，流量≥10l/h，带有z型或y型交互容腔；

40、陈化罐，带夹套，控温范围为0-20℃，配套设置低速搅拌装置。

41、采用上述技术方案，圆筒形或椭圆形且内壁光滑的混合腔体，配合多混合区域设计，有效提升浆料流动性，选用耐腐蚀、耐磨损的不锈钢或聚四氟乙烯材质，可降低设备磨损对分散体系造成的污染风险，保证分散体系纯度；多级螺旋搅拌器或高剪切搅拌器能实现各分散组分的充分混合，确保分散均匀性；监测和控制系统通过温度、压力传感器实时监控运行状态，结合集成控制面板可灵活调整搅拌速度、温度和压力，避免参数偏差影响分散效果；各组件协同作用，全面提升碳纳米管分散的效率、均匀性和稳定性。

42、本发明的有益效果为：

43、多巴胺改性透明质酸可通过苯环结构、羟基及酰胺键与多壁碳纳米管表面形成π-π作用及氢键作用，同时可与3-羧基苯硼酸形成动态共价键；磺酸钠基氟硅氧烷共聚物可铺展于多壁碳纳米管表面并形成水化层，产生空间位阻与静电排斥力；乙烯基吡咯烷酮/乙烯基咪唑共聚物可与多壁碳纳米管形成配位作用，同时可与多巴胺改性透明质酸、磺酸钠基氟硅氧烷共聚物形成相互作用，增强各组分协同性；鼠李糖脂可作用于多壁碳纳米管束间，降低体系表面张力，促进多壁碳纳米管润湿；合成锂皂石可形成三维网络结构，提升体系稳定性；在体系弱碱性环境下，3-羧基苯硼酸可与多巴胺改性透明质酸的邻苯二酚结构形成动态可逆硼酸酯键，参与构建动态交联网络；植酸可螯合体系中多价金属离子，抑制离子诱导絮凝，提升体系抗电解质干扰能力；磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲体系可调节并维持体系ph稳定；无水乙醇与去离子水作为分散介质，为各组分提供分散环境，各组分协同作用可实现多壁碳纳米管的高效分散，提升分散体系的稳定性。