一种碳纳米管在环氧树脂中的分散方法

摘要

本发明涉及一种碳纳米管在环氧树脂中的分散方法，包括步骤：（1）将碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂进行搅拌预混，其中碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂的质量份数比为：0.5～10∶1～10∶100；（2）将双转子连续混炼机的温度升温至设定温度T，设定温度T为20～240℃，将预混体系加入到双转子连续混炼机中，并将双转子连续混炼机的转速调节为100～800rpm进行分散，分散时间为10～60min，本发明分散方法工艺简单，分散效果好，无需使用溶剂，产率较常规的超声波、高速剪切分散明显提高，且适用范围较广。

权利要求

1.一种碳纳米管在环氧树脂中的分散方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂进行搅拌预混，其中碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂的质量份数比为：0.5～10：1～10：100；

(2)将双转子连续混炼机的温度升温至设定温度T，所述设定温度T为20～240℃，将步骤(1)得到的预混体系加入到双转子连续混炼机中，并将双转子连续混炼机的转速调节为100～800rpm进行分散，分散时间为10～60min，所述设定温度T下的环氧树脂粘度范围为1Pa.s～70Pa.s；

(3)打开双转子连续混炼机的出料口，得到分散好的含碳纳米管的环氧树脂；

其中：当碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂的质量份数比为：0.5～2：1～5：

100，设定温度T为20～50℃，设定温度T下的环氧树脂粘度范围为1Pa.s～10Pa.s时，双转子连续混炼机的转速为100～300rpm，分散时间为20～30min；

当碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂的质量份数比为：2～5：2～7：100，设定温度T为50-80℃，设定温度T下的环氧树脂粘度范围为20Pa.s～40Pa.s时，双转子连续混炼机的转速为300～500rpm，分散时间为20～40min。

2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管在环氧树脂中的分散方法，其特征在于：所述碳纳米管的管径为10nm～50nm，长度为10μm～60μm。

3.根据权利要求1或2所述的一种碳纳米管在环氧树脂中的分散方法，其特征在于：所述碳纳米管为普通碳纳米管的或经化学修饰的碳纳米管，所述经化学修饰的碳纳米管为表面羧基化的碳纳米管或胺基化的碳纳米管。

4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管在环氧树脂中的分散方法，其特征在于：所述表面活性剂为十六烷基磺酸钠，十二烷基硫酸钠、油酸、TritonX-100、BYK－142、BYK－

145、BYK－9076或BYK－9077。

5.根据权利要求1所述的一种碳纳米管在环氧树脂中的分散方法，其特征在于：所述待分散的环氧树脂为E-51、E-44、F-44或E-54。

说明书

一种碳纳米管在环氧树脂中的分散方法

技术领域

[0001] 本发明属于非金属/复合材料成型工艺技术领域，涉及一种碳纳米管在环氧树脂中的分散方法。

背景技术

[0002] 增强体能否在基体材料中分散均匀将直接影响复合材料的性能，因此这是CNTs增强材料的首要问题。CNTs表面缺陷少、缺乏活性基团，在各种溶剂中的溶解度都很低。另外，CNTs之间存在较强的范德华引力，加之巨大的比表面积和很高的长径比，使其形成团聚或缠绕，限制CNTs优异性能的发挥。因此在实际的应用过程中，碳纳米管的增强效果很难得到体现。这需要解决两个难题:一个是由于碳纳米管自身比表面积很大,在树脂基体中不能达到很好的分散效果;另外一个难题是由于碳纳米管表面平滑，很难与树脂之间形成有效的界面，从而影响了载荷的传递。

[0003] 分散碳纳米管最常用的方法是物理机械方法，如超声分散法和高速剪切法。但是，由于碳纳米管的比表面积很大，碳纳米管分散后极易迅速重新团聚，为了保持碳纳米管的分散状态，还需添加合适的表面活性剂以防止碳纳米管团聚。同时,将碳纳米管进行化学修饰(官能化)后也有助于CNT在水、有机溶剂和树脂基体等中的分散。

[0004] 但在常规的溶液混合工艺如超声分散法和高速剪切法中, 碳纳米管和树脂被溶解(或分散)在合适的溶剂中,然后蒸发除去溶剂并制备复合材料。随着预浸料制备工艺的发展，溶液浸渍法已逐渐被热熔融浸渍法所取代。因此热熔树脂体系将逐步取代原有的湿法树脂体系，而热熔树脂体系与湿法树脂体系的最大差别就在于不采用溶剂制备预浸料，且需满足制膜的工艺性要求，因此树脂体系的粘度很高，室温下接近固体，这给碳纳米管的分散带来了更大的困难。

[0005] 因此如何选择合适的分散方法，调整分散工艺参数，实现碳纳米管在环氧树脂基体中的均匀分散，是值得深入研究的一个重要方向。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种碳纳米管在环氧树脂中的分散方法，该方法工艺简单，分散效果好，无需使用溶剂，产率较常规的超声波、高速剪切分散明显提高，且适用范围较广。

[0007] 本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

[0008] 一种碳纳米管在环氧树脂中的分散方法，包括如下步骤：

[0009] （1）将碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂进行搅拌预混，其中碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂的质量份数比为：0.5～10：1～10：100；

[0010] （2）将双转子连续混炼机的温度升温至设定温度T，所述设定温度T为20～240℃，将步骤（1）得到的预混体系加入到双转子连续混炼机中，并将双转子连续混炼机的转速调节为100～800rpm进行分散，分散时间为10～60min，所述设定温度T下的环氧树脂粘度范围为1Pa.s～70Pa.s；

[0011] （3）打开双转子连续混炼机的出料口，得到分散好的含碳纳米管的环氧树脂。

[0012] 在上述碳纳米管在环氧树脂中的分散方法中，碳纳米管的管径为10nm～50nm，长度为10μm～60μm。

[0013] 在上述碳纳米管在环氧树脂中的分散方法中，碳纳米管为普通碳纳米管的或经化学修饰的碳纳米管，所述经化学修饰的碳纳米管为表面羧基化的碳纳米管或胺基化的碳纳米管。

[0014] 在上述碳纳米管在环氧树脂中的分散方法中，表面活性剂为十六烷基磺酸钠，十二烷基硫酸钠、油酸、Triton X-100、BYK－142、BYK－145、BYK－9076或BYK－9077。

[0015] 在上述碳纳米管在环氧树脂中的分散方法中，待分散的环氧树脂为E-51、E-44、F-44或E-54。

[0016] 在上述碳纳米管在环氧树脂中的分散方法中，当碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂的质量份数比为：0.5～2：1～5：100，设定温度T为20～50℃，设定温度T下的环氧树脂粘度范围为1Pa.s～10Pa.s时，双转子连续混炼机的转速为100～300rpm，分散时间为20~30min。

[0017] 在上述碳纳米管在环氧树脂中的分散方法中，当碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂的质量份数比为：2～5：2～7：100，设定温度T为50-80℃，设定温度T下的环氧树脂粘度范围为20Pa.s～40Pa.s时，双转子连续混炼机的转速为300～500rpm，分散时间为20~40min。

[0018] 在上述碳纳米管在环氧树脂中的分散方法中，当碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂的质量份数比为：2～5：2～7：100，碳纳米管的管径为10nm～20nm，长度为50～60μm，设定温度T为50-80℃，设定温度T下的环氧树脂粘度范围为20Pa.s～40Pa.s时，双转子连续混炼机的转速为400～600rpm，分散时间为30~45min。

[0019] 在上述碳纳米管在环氧树脂中的分散方法中，当碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂的质量份数比为：5～7：5～10：100，碳纳米管的管径为10nm～20nm，长度为50～60μm，设定温度T为70-120℃，设定温度T下的环氧树脂粘度范围为50Pa.s～70Pa.s时，双转子连续混炼机的转速为500～800rpm，分散时间为40~60min。

[0020] 本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

[0021] （1）本发明采用双转子连续混炼机对碳纳米管在环氧树脂中进行分散，并对包括转速、分散时间、温度等在内的工艺参数进行优化设计，并通过大量试验进行验证，大大提高了碳纳米管分散的均匀性，使分散效果显著提高；

[0022] （2）本发明将碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂直接进行分散，不需要使用溶剂，适合热熔预浸料的制备，不仅降低了成本，而且产率较常规的超声波、高速剪切分散方法明显提高，可连续工作，可成为突破碳纳米管在树脂基体中分散并应用于生产的突破口之一；

[0023] （3）本发明通过大量实验确定了分散过程中碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂的最佳配比，并对不同配比下的分散工艺条件进行了优化设计，进一步提高了分散效果和分散稳定性；

[0024] （3）本发明利用双转子连续混炼机可升温、剪切力大的特点，使得分散工艺简单，适用的树脂范围较广，具有较强的实用性。

附图说明

[0025] 图1为本发明双转子混炼机混炼段结构示意图；

[0026] 图2为本发明碳纳米管在环氧树脂中的分散方法流程图；

[0027] 图3为本发明实施例中碳纳米管分散效果示意图。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

[0029] 如图1所示为本发明双转子混炼机混炼段结构示意图，将碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂从双转子混炼机混炼段的加料口1中加入，在机筒3中通过转子2的旋转进行分散，并从出料口4中出料。

[0030] 本发明碳纳米管在环氧树脂中的分散方法，具体包括如下步骤：

[0031] （1）将碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂进行搅拌预混，其中碳纳米管、表面活性剂和待分散的环氧树脂的质量份数比为：0.5～10：1～10：100。

[0032] 其中碳纳米管的管径为10nm～50nm，长度为10μm～60μm。碳纳米管为普通碳纳米管的或经化学修饰的碳纳米管，经化学修饰的碳纳米管为表面羧基化的碳纳米管或胺基化的碳纳米管。表面活性剂为十六烷基磺酸钠，十二烷基硫酸钠、油酸、Triton X-100、BYK－142、BYK－145、BYK－9076或BYK－9077。待分散的环氧树脂为E-51、E-44、F-44或E-54。

[0033] （2）将双转子连续混炼机的温度升温至设定温度T，所述设定温度T为20～240℃，将步骤（1）得到的预混体系加入到双转子连续混炼机中，并将双转子连续混炼机的转速调节为100～800rpm进行分散，分散时间为10～60min，所述设定温度T下的环氧树脂粘度范围为1Pa.s～70Pa.s；

[0034] （3）打开双转子连续混炼机的出料口，得到分散好的含碳纳米管的环氧树脂。

[0035] 实施例1

[0036] （1）选择待分散的环氧树脂基体为E-51，碳纳米管为普通碳管，管径为20～30nm，长度为10～20μm；根据E-51的特性以及碳纳米管的特性、含量选择表面活性剂十六烷基磺酸钠；

[0037] （2）将上述碳纳米管、十六烷基磺酸钠、E-51按质量份数比为碳纳米管：十六烷基磺酸钠：E-51＝1：2.5：50进行混合，用玻璃棒搅拌均匀，得到预混好的树脂体系；

[0038] （3）在常温25℃下，将双转子连续混炼机的转速设定为280rpm，将预混好的树脂体系加入到双转子连续混炼机中，分散30min。

[0039] （4）打开出料口，得到碳纳米管/E-51环氧树脂混合体系。得到的碳纳米管分散特别均匀，体系稳定，如图3所示为本实施例中碳纳米管分散效果示意图。

[0040] 实施例2

[0041] （1）选择待分散的环氧树脂基体为E-44，碳纳米管为羧基化碳管，羧基占碳纳米管的质量百分比为2.56%，管径为8～15nm，长度为50μm。根据E-44的特性以及碳纳米管的特性、含量选择表面活性剂Triton X-100。

[0042] （2）将上述碳纳米管、Triton X-100、E-44按质量份数比为碳纳米管：Triton X-100：E-44＝4：6：100进行混合，用玻璃棒搅拌均匀。得到预混好的树脂体系。

[0043] （3）在60℃下，将双转子连续混炼机的转速设定为450rpm，将预混好的树脂体系加入到双转子连续混炼机中，分散35min。

[0044] （4）打开出料口，得到碳纳米管/E-44环氧树脂混合体系。碳纳米管分散特别均匀，体系稳定。

[0045] 实施例3

[0046] （1）选择待分散的环氧树脂基体为E-54，碳纳米管为氨基化碳管，氨基占碳纳米管的质量百分比为1.6%，管径为10～20nm，长度为55μm。根据E-54的特性以及碳纳米管的特性、含量选择表面活性剂BYK－142。

[0047] （2）将上述碳纳米管、BYK－142、E-54按质量份数比为碳纳米管：BYK－142：E-54＝6：8：100进行混合，用玻璃棒搅拌均匀。得到预混好的树脂体系。

[0048] （3）在80℃下，将双转子连续混炼机的转速设定为600rpm，将预混好的树脂体系加入到双转子连续混炼机中，分散45min。

[0049] （4）打开出料口，得到碳纳米管/E-54环氧树脂混合体系。碳纳米管分散特别均匀，体系稳定。

[0050] 实施例4

[0051] （1）选择待分散的环氧树脂基体为F-44，碳纳米管为普通碳管，管径为10～20nm，长度为50μm。根据F-44的特性以及碳纳米管的特性、含量选择表面活性剂油酸。

[0052] （2）将上述碳纳米管、油酸、F-44按质量份数比为碳纳米管：油酸：F -44＝4：6：100进行混合，用玻璃棒搅拌均匀。得到预混好的树脂体系。

[0053] （3）在60℃下，将双转子连续混炼机的转速设定为450rpm，将预混好的树脂体系加入到双转子连续混炼机中，分散30min。

[0054] （4）打开出料口，得到碳纳米管/F-44环氧树脂混合体系。碳纳米管分散特别均匀，体系稳定。

[0055] 上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，如抗剪腹板的形状和尺寸等。

[0056] 本发明说明书中未作详细描述内容属于本领域专业技术人员公知技术。