一种高分散碳纳米管材料的制备方法与流程

1.本发明涉及一种高分散碳纳米管材料的制备方法，属于高分散碳纳米管材料制备技术领域。


背景技术：

2.碳纳米管材料是一种具有优异的导电性、力学等诸多性能的一维碳纳米材料，独特的性能，使得碳纳米管具有多方面的应用潜力。作为迄今为止发现的力学性能最好的材料之一，碳纳米管有着极高的拉伸强度，研究人员正尝试研究制造诸如“拉不断”的绳子、“扯不破”的纤维布和“打不透”的防弹衣等“黑科技”产品。此外，有研究人员还通过合成碳纳米管材料，研制出一种能灵敏感知压力变化的传感器织物，可在运动训练领域发挥重要作用。人们还尝试将碳纳米管制成透明导电的薄膜，用作触摸屏的替代材料。目前碳纳米管已实现商业化的应用则是依靠其优良的导电性，作为导电添加剂加入锂电池中提升电池的性能。
3.但是由于碳纳米管具有纳米材料的团聚特性，导致其添加到其他材料中时无法实现很好的分散，从而阻碍了性能的发挥。目前碳纳米管材料的分散应用方案基本上以高剪切、高能球磨等机械分散方式为主，这类方法对碳纳米管材料的结构具有一定的破坏性，会降低其性能。因此，提供一种高分散碳纳米管材料的制备方法是十分必要的。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有碳纳米管材料易团聚，导致其添加到其他材料中时无法实现很好的分散，从而阻碍了性能的发挥的问题，提供一种高分散碳纳米管材料的制备方法。
5.本发明的技术方案：
6.一种高分散碳纳米管材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
7.步骤1，将含有金属盐的水溶液与沥青混合物混合制备胶液后进行纺丝处理，获得原丝；
8.步骤2，将步骤1获得的原丝进行碳化处理，获得纺丝碳纤维；
9.步骤3，将步骤2获得的纺丝碳纤维进行粉碎，过筛，放入管式炉中煅烧，获得高分散碳纳米管材料。
10.进一步限定，步骤1中含有金属盐的水溶液的浓度为5
‑
80％，含有的金属包括铁、钴、镍、铝、镁、钙中一种或多种以任意比混合。
11.进一步限定，步骤1中含有金属盐的水溶液与沥青混合物的质量比为(0.3
‑
10)：1。
12.进一步限定，步骤1中纺丝温度为120
‑
200℃，纺丝时间为5
‑
30min。
13.进一步限定，步骤2中碳化处理温度为210
‑
250℃，处理时间为20
‑
250min。进一步限定，步骤3中过筛的目数为50
‑
300目。
14.进一步限定，步骤3中煅烧的具体工艺流程如下：
15.首先，在氮气或氩气作为保护气的条件下将管式炉内升温至500
‑
900℃；
16.然后，再通入含碳气体进行保温，其中含碳气体和保护气的通入体积比为(0.1
‑
20)：1，保温15
‑
180min；
17.最后，保温结束后，停止通入含碳气体，继续通入保护气，冷却至室温后取出生成物，即为高分散碳纳米管材料。
18.更进一步限定，含碳气体为丙烷、丙烯、甲烷或乙烯。
19.本发明具有以下有益效果：本发明将碳纳米管的原位生长和纤维材料相结合，实现了碳纳米管的良好分散，解决纳米材料的在应用过程中的团聚问题，此外本技术提供的制备过程简单，易于操作，是一种便捷有效的制备方法。
附图说明
20.图1为实施例1获得的碳纳米管材料的微观图像；
21.图2为图1的局部放大微观图像；
22.图3为采用实施例1
‑
5和对比例获得碳纳米管材料制成的扣式电池的循环性能对比曲线。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
25.实施例1：
26.将金属盐硝酸铁和硝酸铝按照质量比1:1加入到水中，配置成金属盐质量浓度为50％的水溶液，然后将该溶液和沥青混合物按照质量比为1:1混合进行纺丝，纺丝温度为150℃，时间14分钟。然后进行预氧化和碳化，温度为220℃，时间60分钟。将碳化后的纺丝碳纤维进行粉碎，过150目筛。过筛后，将粉碎的碳纤维放入管式炉中，通氮气升温至680℃，然后保温50分钟，保温时通丙烯气体，丙烯和氮气的体积比为2：1，保温结束后闭加热，停止通丙烯，持续通氮气，待冷却到室温取出反应制备的碳纳米管材料，该碳纳米管材料的微观结构如图1和图2所示，由图1可知制备的材料，主体为较粗的纤维状碳材料，碳纳米管在其表面和内部生长，实现了碳纳米管在生长阶段即实现了很好的分散。
27.实施例2：
28.将金属盐硝酸铁和硝酸铝按照质量比1:2加入到水中，配置成金属盐质量浓度为50％的水溶液，然后将该溶液和沥青混合物按照质量比为1:1混合进行纺丝，纺丝温度为150℃，时间14分钟。然后进行预氧化和碳化，温度为220℃，时间60分钟。将碳化后的纺丝碳纤维进行粉碎，过150目筛。过筛后，将粉碎的碳纤维放入管式炉中，通氮气升温至680℃，然后保温50分钟，保温时通丙烯气体，丙烯和氮气的体积比为1：1，保温结束后闭加热，停止通丙烯，持续通氮气，待冷却到室温取出反应制备的碳纳米管材料。
29.实施例3：
30.将金属盐硝酸铁、硝酸钴、硝酸铝按照质量比1：1：4加入到水中，配置成金属盐质量浓度为50％的水溶液，然后将该溶液和沥青混合物按照质量比为1:1混合进行纺丝，纺丝温度为150℃，时间14分钟。然后进行预氧化和碳化，温度为220℃，时间60分钟。将碳化后的纺丝碳纤维进行粉碎，过150目筛。过筛后，将粉碎的碳纤维放入管式炉中，通氮气升温至680℃，然后保温50分钟，保温时通丙烯气体，丙烯和氮气的体积比为2：1，保温结束后闭加热，停止通丙烯，持续通氮气，待冷却到室温取出反应制备的碳纳米管材料。
31.实施例4：
32.将金属盐硝酸铁、硝酸钴、硝酸镁按照质量比1：1：3加入到水中，配置成金属盐质量浓度为50％的水溶液，然后将该溶液和沥青混合物按照质量比为1:1混合进行纺丝，纺丝温度为150℃，时间14分钟。然后进行预氧化和碳化，温度为220℃，时间60分钟。将碳化后的纺丝碳纤维进行粉碎，过150目筛。过筛后，将粉碎的碳纤维放入管式炉中，通氮气升温至680℃，然后保温50分钟，保温时通丙烷气体，丙烷和氮气的体积比为2：1，保温结束后闭加热，停止通丙烷，持续通氮气，待冷却到室温取出反应制备的碳纳米管材料。
33.实施例5：
34.将金属盐硝酸铁、硝酸镁、硝酸铝按照质量比1：1：1加入到水中，配置成金属盐质量浓度为50％的水溶液，然后将该溶液和沥青混合物按照质量比为1:1混合进行纺丝，纺丝温度为150℃，时间14分钟。然后进行预氧化和碳化，温度为220℃，时间60分钟。将碳化后的纺丝碳纤维进行粉碎，过150目筛。过筛后，将粉碎的碳纤维放入管式炉中，通氮气升温至680℃，然后保温50分钟，保温时通丙烷气体，丙烷和氮气的体积比为2：1，保温结束后闭加热，停止通丙烷，持续通氮气，待冷却到室温取出反应制备的碳纳米管材料。
35.对比例1：
36.将普通碳纳米管粉体与沥青基碳纤维按照1：10混合，获得碳纳米管材料。
37.将上述实施例1
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5和对比例1获得的碳纳米管材料作为导电剂分别加入扣式电池中，进行电性能测试，具体过程如下：
38.按照三元：碳纳米管材料：pvdf＝97.2：0.8：2的重量比，以nmp为溶剂调制成固含量为62％均匀浆料。其中pvdf为溶解在nmp中的胶液状态，浓度为10％。混合过程采用匀浆机，转速800rpm，时间30s，然后调整转速2000rpm，时间20min。开自动涂布机，将铝箔暗面朝上平铺于涂布机上，开真空泵使铝箔保持均匀平整，用纸蘸取酒精擦拭铝箔涂布面，然后将浆料置于铝箔上，采用210μm厚度将其均匀涂布成片状。涂布后将铝箔120℃真空干燥8h，去除所有nmp溶剂。烘干后将铝箔辊压，面密度控制在3.7g/cm3，然后裁切成小原片，120℃烘烤4h。然后再手套箱里装配扣式电池，负极为锂片。对获得的扣式电池进行循环性能测试，结果如图3所示，由图3可知，在1c恒流恒压充电，1c恒流放电条件下，循环80圈，实施例1
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5循环性能优于对比例1，说明本发明提供的方法能够有效提高碳纳米管的分散性，继而充分发挥碳纳米管的性能。
39.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。