技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種納米技術(shù)領(lǐng)域的方法，特別是一種多壁碳納米管的剪切方法。

背景技術(shù)

碳納米管自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)就以其獨(dú)特的機(jī)械、物理和化學(xué)性質(zhì)引起人們關(guān)注，廣泛應(yīng)于用電子、能源、材料等領(lǐng)域。但是目前各種方法制備的碳納米管都是大量團(tuán)聚在一起，并且長(zhǎng)度達(dá)到微米級(jí)，嚴(yán)重限制了碳納米管的應(yīng)用，如分子電器領(lǐng)域，需要長(zhǎng)度在10～300nm的碳納米管作為連接器；作為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，均勻分散的短碳納米管能夠減小應(yīng)力集中，從而提高力學(xué)性能。為了得到所需的短碳納米管，常用的處理方法主要涉及物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程及兩者的結(jié)合。物理剪切是采用球磨或超聲處理碳納米管與研磨劑的混合物，兩者間較強(qiáng)的摩擦力和剪切力使碳碳鍵斷裂，達(dá)到剪切的目的，然而這種方法存在著碳管與研磨劑難以分離，且容易引入雜質(zhì)的問(wèn)題。最新報(bào)導(dǎo)的一種物理剪切方法是低溫粉碎法，將碳納米管分散到異丙醇溶液中在低溫粉碎機(jī)中處理30分鐘，得到長(zhǎng)度小于500nm的碳納米管。這種方法需要在液氮中進(jìn)行，并且需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。最初的化學(xué)剪切是用濃硫酸、濃硝酸或兩者的混酸回流處理碳納米管，使碳納米管壁缺陷處的碳原子被酸氧化而被截?cái)唷Ｍ瑫r(shí)在酸處理過(guò)程中，碳管壁上可引入羥基、羧基、羰基等官能團(tuán)，使其在復(fù)合材料基質(zhì)中達(dá)到更好的分散。

經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Z.Gu等在《NANO?LETT.》(納米通訊)，9(2002)1009-1013上發(fā)表的“Cutting?Single-Wall?Carbon?Nanotubes?throughFluorination(氟化作用剪切單壁碳納米管)”，該文中提出氟化處理剪切碳納米管的方法，具體方法為：首先將碳納米管在含氟氣氛中氟化，然后在氬氣氣氛中熱理或在濃酸中氧化，使氟化過(guò)程中形成的碳氟鍵斷裂以達(dá)到剪切碳納米管的目的。其不足在于：這些化學(xué)過(guò)程應(yīng)用到濃酸及氟氣都是具有腐蝕性的，操作危險(xiǎn)而且處理過(guò)程耗時(shí)，一般需要幾小時(shí)甚至幾十小時(shí)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多壁碳納米管的剪切方法，使其解決了背景技術(shù)中問(wèn)題，所得到的短碳納米管長(zhǎng)度在200～500nm。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明采用濕化學(xué)的方法在碳納米管表面沉積氧化鐵顆粒，再利用碳還原氧化鐵的反應(yīng)，對(duì)碳納米管進(jìn)行化學(xué)剪切。

本發(fā)明包括如下步驟：

(1)氧化鐵前驅(qū)體在碳納米管表面的沉積：將多壁碳納米管超聲分散到亞鐵鹽的水溶液中，在80℃水浴條件下強(qiáng)烈攪拌并滴加過(guò)氧化氫液體，保持溫度反應(yīng)后過(guò)濾、干燥，得到管壁附著氧化鐵前驅(qū)體的碳納米管粉末；

所述的亞鐵鹽的水溶液濃度為0.5M，亞鐵鹽可選自七水硫酸亞鐵或氯化亞鐵；

所述的過(guò)濾，采用F型聚偏氟乙烯有機(jī)微孔濾膜，其濾孔直徑為0.45μm；

所述的多壁碳納米管與亞鐵鹽的水溶液的比例為：0.01～0.02g/ml；

所述的過(guò)氧化氫液體與亞鐵鹽的水溶液的比例為：3～5(vol/vol)；

所述保持溫度反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為4小時(shí)；

所述過(guò)氧化氫液體，其濃度為30％；

所述干燥，是指：在100～120℃干燥2～4小時(shí)。

(2)多壁碳納米管的剪切：將步驟(1)得到的附著氧化鐵前驅(qū)體的碳納米管在石英管中惰性氣體保護(hù)下加熱升溫至400～500℃，在該溫度下保溫使前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為氧化鐵，之后再次升溫至800～900℃發(fā)生還原反應(yīng)，并在該溫度下保溫，冷卻后所得粉末在稀硝酸溶液中回流處理，以除去金屬鐵及剩余氧化鐵，待溫度降至室溫時(shí)，用去離子水稀釋?zhuān)?jīng)過(guò)濾、洗滌、干燥后得到剪切后的碳納米管。

所述加熱升溫至400～500℃，其升溫速率為5～10℃/分鐘，在該溫度下保溫時(shí)間為2～3小時(shí)；

所述升溫至800～900℃，其升溫速率為5～10℃/分鐘，在該溫度下保溫時(shí)間為2～3小時(shí)；

所述冷卻，是指：在惰性氣氛下冷卻至室溫，惰性氣體為氬氣或氮?dú)狻?/p>

所述在稀硝酸溶液中回流處理，是指：在稀硝酸溶液中超聲分散，并在100～120℃的溫度下回流反應(yīng)2～3小時(shí)；

所述的氧化鐵，是指在400～500℃熱處理之后得到的，其占總混合物的質(zhì)量百分含量為：50～80％；

所述稀硝酸溶液，是指68％濃硝酸溶液與去離子水的比例為：3～1(vol/vol)；

所述用去離子水稀釋?zhuān)侵赶♂屩羛H值為6～7；

所述所得粉末在稀硝酸溶液中回流處理，碳納米管粉末與稀硝酸溶液的比例為：0.01～0.02g/ml。