專利名稱：芐基氯取代的碳納米管的制備方法及其引發(fā)的接枝修飾方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種修飾碳納米管的方法，更確切講是為滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的 要求，例如在溶液中能高度分散，或者是用于制備帶有特定結(jié)構(gòu)的碳納米管， 而對碳納米管進行處理，使之表面形成特定的引發(fā)官能團，并利用所形成的特 定官能團引發(fā)形成管表面的接枝修飾的方法。
背景技術(shù)：
納米碳管(carbonnanotubes)是1991年才被發(fā)現(xiàn)的一種新型碳結(jié)構(gòu)，它是由碳 原子形成的石墨烯片層巻成的單層到數(shù)十層的同軸、無縫、中空的管體，層與 層之間保持固定的距離，約0.34nm。它是一種具有徑向尺寸為納米量級，軸向 尺寸為微米量級、管子兩端具有富勒烯半球封口的新型碳結(jié)構(gòu)。按片層石墨層 數(shù)分類，可分為單壁納米碳管(Single-walled carbon nanotubes)和多壁納米碳管 (Multi-walled carbon nanotubes)，單壁碳納米管可看成是由單層片狀石墨巻曲而 成，而多壁碳納米管可理解為不同直徑的單壁碳納米管套裝而成。由于納米碳 管的納米級直徑和微米級長度，它擁有高達1000的長徑比，被視為準(zhǔn)一維納米 材料。
研究發(fā)現(xiàn)碳納米管的力學(xué)性能與其結(jié)構(gòu)有關(guān)。石墨烯平面中的碳碳鍵是自然 界中已知的最強的化學(xué)鍵之一，spZ雜化形成的C二C共價鍵組成。納米碳管的 結(jié)構(gòu)為完整的石墨烯網(wǎng)格，具有獨特的一維管狀分子結(jié)構(gòu)，其完美的六邊形拓 撲結(jié)構(gòu)幾乎沒有缺陷碳納米管是由自然界最強的價鍵之一，因此碳納米管是所 有已知最結(jié)實、剛度最高的材料之一[V. R. Coluci, S. O. Dantas, A. Jorio， D. S. Galvao, Phys. Rev. B 75, 2007; A. Pantano, M. C. Boyce, D. M. Parks, Phys. Rev. Lett. 91, 2003; Z. Gu, H. Peng, R. H. Hauge, R. E. Smalley, J. L. Margrave, Nano Lett. 2, 2002， 1009]。結(jié)構(gòu)規(guī)則的碳納米管具有更好的力學(xué)性能，尤其是結(jié)構(gòu)十 分完美的的單壁碳納米管具有極高的力學(xué)性能和極大的縱橫比，成為制備超強 復(fù)合材料的最佳填料。然而，碳納米管本身在大多數(shù)溶劑中不能分散，實際應(yīng) 用碳納米管作為填料始終受到阻礙。同時，碳納米管大的比表面積具有大的范德華力，導(dǎo)致自身嚴重團聚并且難以被均一地分散在復(fù)合材料基體。聚合物接枝是修飾碳納米管的通用的方法，因為在碳納米管表面極少的缺 陷處接枝修飾可溶性高分子不會很大程度破壞其電學(xué)性質(zhì)，因此該方法是一種有希望可供選擇的方式。1995年Malyjaszewki等首次提出原子轉(zhuǎn)移自由基聚合 (ATRP)的概念，為自由基活性聚合開辟了一條嶄新的途徑。在眾多的可控的活 性聚合物接枝法中，原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)是高度靈活、有效的和最廣泛 使用的技術(shù)，可以在溫和的反應(yīng)條件下進行聚合物分子鏈段的接枝。ATRP引發(fā)體系是由簡單有機鹵化物(引發(fā)劑)、低價過渡金屬和合適的配體 組成的絡(luò)合物(催化劑)三部分組成，通過一系列的氧化還原反應(yīng)，在活性種與休 眠種之間建立可逆動態(tài)平衡，實現(xiàn)了活性聚合和對聚合物分子量的控制。引發(fā) 劑均裂產(chǎn)生自由基的含量和效率決定生成聚合物的分子量大小及分布，催化劑 是含有過渡金屬化合物與含N、 O 、 P等強配體所組成的絡(luò)合物，配體的主要 作用是與過渡金屬形成絡(luò)合物，使其溶于有機溶劑，調(diào)整中心金屬的氧化還原 電位。中國發(fā)明專利200310121617.0公開了一種溫度敏感型水溶性碳納米管及其 制備方法，該方法是將碳納米管處理后使其表面帶有引發(fā)基團；然后用原子轉(zhuǎn) 移自由基聚合反應(yīng)引發(fā)含雙鍵溫度敏感型水溶性單體聚合，得到溫度敏感型水 溶性碳納米管。其具體的做法是將用強氧化性酸處理后的碳管用酰化劑處理 得到?；奶技{米管，再將?；技{米管用多元醇或多元胺處理得到表面帶有 羥基或胺基的碳納米管，再將表面帶有羥基或胺基的碳納米管和a-鹵代酰鹵進 行反應(yīng)得到表面帶有引發(fā)基團的碳納米管，再將表面帶有引發(fā)基團的碳納米管 在惰性氣體保護下與N， N. 二甲基丙烯酰胺或N.異丙基丙烯酰胺單體反應(yīng)， 最終得到溫度敏感型水溶性的碳納米管。此方法中引發(fā)劑是從酸化碳管的羧基 上開始反應(yīng)的，也就是說引發(fā)劑的量比較少，僅在端口與管臂缺陷出產(chǎn)生自由 基引發(fā)劑，不但使碳管引發(fā)劑的分散性不是很好影響自由基聚合效率，而且使 最終接枝修飾上的功能高分子量不高而降低了復(fù)合材料的功能性。如果要提高 表面引發(fā)劑的量，則需要對碳管進行更強烈的氧化，以引入更多的缺陷，有可 能會降低碳管的強度，并造成碳管的截短。目前，對于原子轉(zhuǎn)移自由基聚合接枝反應(yīng)修飾碳納米管的方法的研究基本圍繞在碳納米管表面固定引發(fā)劑和實現(xiàn)功能化單體的聚合、嵌段聚合以及共聚 展開。其中，在碳納米管表面構(gòu)筑高效引發(fā)劑開展的并不充分， 一些高效的引 發(fā)劑分子與碳納米管共價連接存在技術(shù)障礙。這一問題的解決必將極大地擴展 原子轉(zhuǎn)移自由基聚合接枝反應(yīng)修飾碳納米管的應(yīng)用范圍，比如作為聚合物增強 填料、藥物傳輸?shù)妮d體、催化劑粒子的負載體等。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種可克服現(xiàn)有技術(shù)不足，能在碳管表面有效構(gòu)建高效引發(fā)劑 的方法，由此方法制備出一種帶有高效引發(fā)基的碳管，進而在這一碳管基礎(chǔ)上 實現(xiàn)碳納米管的修飾接枝條處理。本發(fā)明提出了一條新穎的有效的引發(fā)劑合成 路線，本發(fā)明提供的引發(fā)劑可以在有機溶劑中長期保持良好的分散性，是提高 了活性聚合過程可控性的新途徑。
本發(fā)明所述的帶有高效引發(fā)基的碳管是指芐基氯取代的碳管，其制備方法 是先對碳管進行純化處理，去除碳管表面上附送的催化劑及其它的雜質(zhì)，然后 將經(jīng)純化處理后的碳管制備為苯取代的碳管，再對苯取代的碳管進行氯甲基化 苯環(huán)取代反應(yīng)，生成芐基氯取代的碳納米管。在本發(fā)明中制備芐基氯取代的碳 管可以采用自由基加成反應(yīng)。
制備芐基氯取代的碳管的一個實施例是
(a) 將經(jīng)純化處理的1重量份碳納米管和20 60重量份過氧化苯甲?；?合后在8(TC下反應(yīng)5小時，反應(yīng)中充分攪拌，隨后，用甲苯和二氯甲垸混合溶
劑洗滌反應(yīng)體系，再經(jīng)過濾干燥處理得到苯取代的碳納米管。
(b) 取1重量份的苯取代的碳納米管與20mL氯甲基化試劑、0.5 2重量 份的催化劑，以及30ml的氯仿混合、攪拌反應(yīng)8小時，反應(yīng)完成后過濾，并用 乙醇和丙酮反復(fù)交替沖洗，再將濾出物再次超聲分散在乙醇中，將再對分散于 乙醇中的產(chǎn)物進行過濾，然后真空干燥處理，得到帶有芐基氯取代的碳納米管， 所用的催化劑為氯化鋅。這里所使用的氯甲基化試劑可以是氯甲基醚或雙氯甲 醚或(HCHO)n-2HCl或ClCH20(CH2)nCH3 (n=l 7)或ClCH2SiMe3或 ClSiMe2-HCHO或CH3OCH2COCl或CH3OCO 2CH2C1或ClCH2OCH2OCH2Cl，本發(fā)明的碳管修飾接枝方法是以芐基氯取代的碳納米管為引發(fā)劑，在碳管 上進行原子轉(zhuǎn)移自由基聚合反應(yīng)生成各種由芐基氯取代的碳納米管引發(fā)接枝高 分子的納米碳管復(fù)合物。其具體的作法可以是將芐基氯取代的碳管、催化劑、 配位劑和丙烯酸類或苯乙烯類單體被分散到盛有乙腈中，然后用液氮冷凍，密 封反應(yīng)體系后抽真空，在充入氬氣后使體系融化，將液氮冷凍-抽真空-充氬氣-融化過程重復(fù)三次后在60 。C恒溫下反應(yīng)12小時，用二氯甲烷沖淡反應(yīng)液體， 過濾反應(yīng)液體，對過濾物反復(fù)用二氯甲烷和丙酮交替沖洗，再將濾出物干燥處 理，得到聚合物接枝修飾的碳納米管。其聚合反應(yīng)中所用的催化劑是銅或鎳或 錸或釕或鐵的鹵化物，所用的配位劑為五甲基二乙烯基三胺或乙二胺或聯(lián)一吡 啶或雜氮菲或菲咯啉或三苯基磷。本發(fā)明的碳管修飾接枝方法的一個實施例是將4 20mg的芐基氯取代的碳 管、2 10 mg的鹵化銅催化劑、15 ^L的1， 1， 4， 7， 4-五甲基二乙烯基三胺 的配位劑和5 mL的丙烯酸類或苯乙烯類單體被分散到盛有50 200 mL乙腈中， 然后用液氮冷凍，密封反應(yīng)體系后抽真空，在充入氬氣后使體系融化，將液氮 冷凍-抽真空-充氬氣-融化過程重復(fù)三次后在60 t:恒溫下反應(yīng)12小時，用二氯甲烷沖淡反應(yīng)液體，過濾反應(yīng)液體，對過濾物反復(fù)用二氯甲烷和丙酮交替沖洗， 再將濾出物干燥處理，得到聚合物接枝修飾的碳納米管。這里所使用的單體包 括丙烯酸和苯乙烯及其衍生物。一直以來，實現(xiàn)碳管聚合接枝修飾中可控聚合與高密度接枝是研究者追求 的目標(biāo)之一。本發(fā)明借鑒有機化學(xué)方法，為碳納米管表面共價修飾引發(fā)劑分子 提供了一條新思路和新方法。本發(fā)明中碳納米管在反應(yīng)過程中始終處于良好的 分散狀態(tài)，所得的大分子引發(fā)劑在大多數(shù)有機溶劑具有良好的分散性，不僅大 大提高了引發(fā)效率，而且增加了活性聚合過程的可控性，有利于碳管表面接枝 反應(yīng)的進行。以本發(fā)明的方法制備的表面高分子接枝的碳納米管具有接枝率高， 接枝量容易控制，在大多數(shù)有機溶劑與聚合物單體中分散性好的特點。該接枝 產(chǎn)物特別適合于作為聚合物的增強填料，具有良好的應(yīng)用前景。
圖l: FT-IR光譜，圖中橫坐標(biāo)是波長，曲線a為純化的碳納米管，曲線b 苯代的碳納米管，曲線c為芐基氯取代的碳納米管，曲線d為接枝的碳納米管。圖2為不同修飾階段的碳納米管熱重損失曲線，其中曲線a是純化的碳 納米管，曲線b是芐基氯取代的碳納米管，曲線C是聚合物接枝后的碳納米管。圖3是透射電鏡圖其中左圖、右圖分別為以芐基氯取代碳管引發(fā)的聚甲 基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯接枝的碳納米管，可以看出碳管表面均勻包覆著厚度 均勻的高分子層。圖4:本發(fā)明制備過程示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明將使用下面具體實施例進一步說明。 一、芐基氯取代的碳管的制備 碳納米管純化處理首先，5.0g碳納米管加入到盛有500mL的鹽酸的1000 mL的圓底燒瓶中， 在室溫下超聲6小時除去殘余的催化劑粒子。隨后，混合物用蒸餾水沖淡后用 0.45 ^m孔徑的砂芯過濾器過濾直到?jīng)]有殘余的酸存在，所得固體在真空干燥箱 中徹底除水。其次，為了除去氧化碳納米管表面的羧基，在800 。C氬氣保護下 退火8小時。最后，基于碳納米管與非碳納米管雜質(zhì)(巴基蔥、球形富勒烯和無 定型碳)的不同的氧化性，在空氣作用下500 'C氧化2小時可以除去雜質(zhì)。需說 明的是在這一過程中，所用的酸還可以是硫酸或硝酸，也可以是鹽酸、硫酸、 硝酸的混合物。苯環(huán)取代的碳納米管的制備多壁碳納米管首先經(jīng)由自由基修飾過程。5.0 g多壁碳納米管和80 g過氧化 苯甲酰加入到盛有500 mL甲苯的1000 mL的圓底燒瓶中。反應(yīng)在80 。C下進行 5小時，始終使用磁子攪拌。隨后，反復(fù)使用甲苯和二氯甲垸過濾洗滌得到多壁 碳納米管。殘余的液體在100 'C下真空干燥除去。在FT-IR光譜中，可以證實得到的產(chǎn)品為苯取代的碳納米管。見圖1中b 曲線，苯環(huán)取代基的存在可以從苯環(huán)在1559 cm'1的C=C伸縮振動以及五個相鄰 的氫在750 cm"和680 cm"的振動得到證實。氯甲基化苯環(huán)取代的碳納米管(即芐基氯取代的碳管)的制備 l.Og的苯代的碳納米管、20mL氯甲基醚、1.0g氯化鋅和30mL氯仿一起回流8小時，始終使用磁子攪拌。對混合物使用0.45 ,孔徑濾膜的砂芯漏斗過濾，并用乙醇和丙酮反復(fù)交替沖洗后再次超聲分散在乙醇中，如此三次得到氯 甲基化的碳納米管。最后，產(chǎn)物在真空干燥箱中徹底干燥。二、聚合接枝修飾取20mg的芐基氯取代的碳納米管、10mg的CuBr、 15(iL的l， 1， 4， 7， 4-五甲基二乙烯基三胺和5 mL甲基丙烯酸甲酯單體被分散到盛有50 mL乙腈的 100mL圓底燒瓶屮，使用充滿氬氣的三通作為瓶塞便于回填保護性氣體。當(dāng)反 應(yīng)混合物經(jīng)過液氮冷凍-抽真空-充氬氣-融化過程反復(fù)三次，該反應(yīng)體系始終在 氬氣保護下在60 "C水浴12小時。反應(yīng)結(jié)束后，用二氯甲垸沖淡懸著液，使用 0.45pm孔徑濾膜的砂芯漏斗過濾，反復(fù)用二氯甲垸和丙酮交替沖洗。最終，樣 品在真空干燥箱中徹底干燥。經(jīng)接枝修飾處理后得到的碳納米管，在聚合之后的紅外光譜圖中在顯示出 2954、 2924和2854 cm"三重峰(CH2或CH3的伸縮振動)、1732 cm"(C:0伸縮振 動)、1460 ciV(CH2的剪切振動)、1376 cm"(CH3對稱變形)和720 cm—、CH2搖擺 振動)具有極強的峰值，表明存在大量的聚甲基丙烯酸甲酯接枝，參見圖1的曲 線d。從圖2的碳納米管熱重曲線分析可以得到相同的反應(yīng)和接枝證據(jù)及接枝上 的聚合物的量碳納米管接枝前(圖2b)和接枝后(圖2c)在300 'C的熱重損 失差異表明接枝聚合物的相對數(shù)量在72.7%左右；將500 'C視為碳納米管開始 氧化的起始溫度，則固定到碳納米管表面的引發(fā)劑的相對數(shù)量為3.2%左右。圖 3的透射電鏡圖中可以直觀地看到接枝后的碳納米管表面均勻包覆著厚度均勻 的高分子層，證明了本發(fā)明提供的碳納米管大分子引發(fā)劑能夠高效地引發(fā)了甲 基丙烯酸甲酯等單體在碳納米管表面的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合接枝反應(yīng)。以上制備過程參見圖4。以上給出的僅是一個實施例，但本發(fā)明的保護范圍并不僅限于列舉的實施例。.
權(quán)利要求
1.一種芐基氯取代的碳納米管的制備方法，先對碳管進行去除雜質(zhì)的純化處理，其特征是將經(jīng)純化處理的碳管制備為苯取代的碳管，再對苯取代的碳管進行氯甲基化苯環(huán)取代反應(yīng)，生成芐基氯取代的碳納米管。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于采用自由基加成反應(yīng)將碳管制備為苯取代的碳管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是(a) 將經(jīng)純化處理的1重量份碳納米管和20 60重量份過氧化苯甲?；?合后在8(TC下反應(yīng)5小時，反應(yīng)中充分攪拌，隨后，用甲苯和二氯甲烷混合溶 劑洗滌反應(yīng)體系，再經(jīng)過濾干燥處理得到苯取代的碳納米管；(b) 取1重量份的苯取代的碳納米管與20 mL氯甲基化試劑、0.5 2重量 份的催化劑，以及30ml的氯仿混合、攪拌反應(yīng)8小時，反應(yīng)完成后過濾，并用 乙醇和丙酮反復(fù)交替沖洗，再將濾出物再次超聲分散在乙醇中，將再對分散于 乙醇中的產(chǎn)物進行過濾，然后真空干燥處理，得到帶有芐基氯取代的碳納米管， 所用的催化劑為氯化鋅。
4. 一種以芐基氯取代的碳納米管引發(fā)的接枝修飾物的制備方法，其特征是以權(quán)利要求1或2或3所述的碳管為引發(fā)劑，在碳管上進行原子轉(zhuǎn)移自由基聚 合反應(yīng)生成各種由芐基氯取代的碳納米管引發(fā)接枝高分子的納米碳管復(fù)合物。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征是將芐基氯取代的碳管、催化 劑、配位劑和丙烯酸類或苯乙烯類單體被分散到盛有乙腈中，然后用液氮冷凍， 密封反應(yīng)體系后抽真空，在充入氬氣后使體系融化，將液氮冷凍-抽真空-充氬氣 -融化過程重復(fù)三次后在60 'C恒溫下反應(yīng)12小時，用二氯甲垸沖淡反應(yīng)液體， 過濾反應(yīng)液體，對過濾物反復(fù)用二氯甲垸和丙酮交替沖洗，再將濾出物干燥處 理，得到聚合物接枝修飾的碳納米管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征是所用的催化劑是銅或鎳或錸 或釕或鐵的鹵化物，所用的配位劑為五甲基二乙烯基三胺或乙二胺或聯(lián)二吡啶或雜氮菲或菲咯啉或三苯基磷。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征是將4 20 mg的芐基氯取代 的碳管、2 10mg的催化劑、15pL的配位劑和5mL的丙烯酸類或苯乙烯類單 體，分散到盛有50-200 mL乙腈中，然后用液氮冷凍，密封反應(yīng)體系后抽真空， 在充入氬氣后使體系融化，將液氮冷凍-抽真空-充氬氣-融化過程重復(fù)三次后在 60 。C恒溫下反應(yīng)12小時，用二氯甲烷沖淡反應(yīng)液體，過濾反應(yīng)液體，對過濾 物反復(fù)用二氯甲烷和丙酮交替沖洗，再將濾出物干燥處理，得到聚合物接枝修 飾的碳納米管。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4至7所述的任一制備方法制備的聚合物接枝修飾的碳納 米管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對碳納米管進行處理，使之表面形成特定的引發(fā)官能團，并利用所形成的特定官能團引發(fā)形成管表面的接枝修飾的方法。本發(fā)明方法是先對碳管進行純化處理，去除碳管表面上附送的催化劑及其它的雜質(zhì)，然后將經(jīng)純化處理后的碳管制備為苯取代的碳管，再對苯取代的碳管進行氯甲基化苯環(huán)取代反應(yīng)，生成芐基氯取代的碳納米管。在本發(fā)明中制備芐基氯取代的碳管可以采用自由基加成反應(yīng)。
文檔編號C01B31/00GK101234758SQ20081008040
公開日2008年8月6日 申請日期2008年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月2日
發(fā)明者劉彩虹, 旭 康, 張浩力 申請人:蘭州大學(xué)