一种木聚糖基多壁碳纳米管分散剂的制备方法

1.本发明涉及一种碳纳米管的分散方法，具体涉及一种木聚糖基碳纳米管分散剂的制备和碳纳米管的分散方法。


背景技术：

2.碳纳米管(carbonnanotubes,cnts)是由二维石墨或石墨烯片构成的管状碳纳米材料，具有良好的力学性能，被广泛应用在高性能复合材料当中。然而，由于碳纳米管高纵横比和高比表面积的特点，导致单根碳纳米管之间受到范德华力、疏水效应以及π-π相互作用的影响而容易产生聚集，在分散体系和复合材料当中难以分散均匀或者长时间稳定，极大的影响了碳纳米管分散液的可加工性。根据结构不同，cnts又可以分为单壁碳纳米管(swcnts)和多壁碳纳米管(mwcnts)两种，swcnts因其优异的电学、光学、热学和力学性能被应用于场发射器件、复合材料以及各类传感器等领域，但其制备和分离提纯的技术要求较高，价格比较昂贵；而mwcnts造价相对较低，形状可控性强，目前已有大规模生产与应用，一般用于增强复合材料的研究，只是受到分散性差的影响，限制了其在功能材料的应用。
3.目前，提高mwcnts分散性的方法有很多，包括机械搅拌、共价功能化和非公价功能化等。机械搅拌主要包括高能球磨、超声震荡、电场诱导和离心搅拌。然而单纯的物理分散法并不能从根本上克服mwcnts的团聚问题，导致分散后的再次缠绕或团聚，并且容易减小mwcnts的平均长径比。共价功能化是通对mwcnts进行化学改性，使其表面带有羧基、羟基等亲水基团来影响其在水性体系当中的分散。但这种方法破坏了mwcnts表面结构，导致其电学、热学特性大幅度降低。非公价功能化通常是引入表面活性剂或者聚合物分散剂等来促进mwcnts的分散。表面活性剂指的是两亲性化合物，其疏水基团吸附在mwcnts表面形成胶束或者通过π-π相互作用吸附在mwcnts表面，亲水基团通过电荷排斥和空间位阻限制mwcnts之间产生团聚，从而达到良好的分散效果。目前国内外研究通常是结合不同分散方法的特点，协同多种分散方法来达到较好的分散效果。
4.天然大分子在分散mwcnts方面具有很大的应用前景。在以天然大分子为分散剂的mwcnts体系当中，天然大分子可以起到连结和支撑作用，而高模量的mwcnts可以有效增强体系的力学强度，使以分散液为前体的复合材料在传感、电热、光热以及吸附领域得到了广泛应用。
5.半纤维素是一系列复合聚糖的总称，不同的原料复合聚糖的组成也不相同。其中木聚糖是植物次生细胞壁的重要组成成分。与纤维素相比，木聚糖有较低的分子量和较好的水分散性，这有助于木聚糖在分散剂领域的应用，但目前以木聚糖为分散剂分散mwcnts的研究较少。这是因为木聚糖表面电荷少，两亲性较低，使木聚糖难以长时间维持mwcnts水分散液的稳定。木聚糖循环结构的c2、c3位置上存在活性羟基，这使其可以通过酯化、醚化、接枝共聚等化学改性手段引入活性基团，赋予木聚糖不同的化学特性。因此可以通过化学改性来提高木聚糖的表面电荷和两亲性，进而具有更好的mwcnts分散效果。目前有研究通过对取代度的适当控制，得到了具有良好两亲性和流变性的羧甲基化木聚糖水合物晶体
(cmxhc)。并通过超声波处理，成功地生产出了纳米级cmxhc，其在水中具有分散多壁碳纳米管(mwcnt)的能力，分散效率可达91.7％。
6.为此，本专利以溶解浆和黏胶纤维厂生产过程中产生的副产物木聚糖类半纤维素为原料，以3-氯-2-羟丙基磺酸钠为改性剂，在碱性体系和室温条件下对木聚糖进行温和改性，制备了具有良好亲水特性的改性木聚糖，并以其为分散剂获得了能够长时间稳定的碳纳米管分散液。


技术实现要素：

7.本发明针对现有技术和理论的不足，主要制备了一种以工业副产物木聚糖为原料的碳纳米管分散剂。以3-氯-2-羟丙基磺酸钠为改性剂，通过温和的醚化改性的方法提升了木聚糖的两亲性，使其能够长时间、均匀的分散碳纳米管。解决了碳纳米管水分散液稳定性差的缺点，为木聚糖在高性能复合材料的应用开辟了新的思路。
附图说明
8.图1木聚糖改性及分散液的制备流程图；图2为本发明实例中木聚糖和磺化木聚糖的红外光谱图；图3为本发明实例中木聚糖和磺化木聚糖的xrd谱图；图4为实施案例1中磺化木聚糖对碳纳米管的分散效果；图5为实施案例1中磺化木聚糖与商用碳纳米管分散剂分散效果的对比；图6为实施案例1中碳纳米管分散液与碳纳米管的拉曼光谱图；图7为实施案例1中碳纳米管分散液的原子力显微镜图；
9.图8为实施案例1中碳纳米管分散液的透射电镜图。
具体实施方式
10.实施例1
11.本实验以木聚糖为原料，利用3-氯-2-羟丙基磺酸钠为改性剂对木聚糖进行化学改性，制备出具有良好亲水性的木聚糖衍生物；然后，通过超声处理制备出均匀的多壁碳纳米管水分散液，具体的制备步骤如下：
12.(1)准确称取naoh 2.64g溶于100ml去离子水中，水浴加热至50℃，加入2.64g木聚糖，至木聚糖完全溶解，准确称取7.87g 3-氯-2羟丙基-磺酸钠(摩尔比1:2)加入反应体系中，30℃水浴反应12h。(2)反应结束后，用hcl调节ph为中性，将混合液进行透析7天除去杂质。将透析之后的溶液进行浓缩、冷冻干燥即可得到改性木聚糖。
13.称取一定量的步骤2获得的改性木聚糖重新溶解到去离子水中，加入多壁碳纳米管，超声处理5分钟，获得均匀的碳纳米管分散液。
14.实施例2
15.本实验以木聚糖为原料，利用3-氯-2-羟丙基磺酸钠为改性剂对木聚糖进行化学改性，制备出具有良好亲水性的木聚糖衍生物；然后，通过超声处理制备出均匀的多壁碳纳米管水分散液，具体的制备步骤如下：
16.(1)准确称取naoh 2.64g溶于100ml去离子水中，水浴加热至50℃，加入2.64g木聚
糖，至木聚糖完全溶解，准确称取3.94g 3-氯-2羟丙基-磺酸钠(摩尔比1:1)加入反应体系中，60℃水浴反应12h。(2)反应结束后，用hcl调节ph为中性，将混合液进行透析7天除去杂质。将透析之后的溶液进行浓缩、冷冻干燥即可得到改性木聚糖。
17.称取一定量的步骤2获得的改性木聚糖重新溶解到去离子水中，加入多壁碳纳米管，超声处理5分钟，获得均匀的碳纳米管分散液。
18.实施例3
19.本实验以木聚糖为原料，利用3-氯-2-羟丙基磺酸钠为改性剂对木聚糖进行化学改性，制备出具有良好亲水性的木聚糖衍生物；然后，通过超声处理制备出均匀的多壁碳纳米管水分散液，具体的制备步骤如下：
20.(1)准确称取naoh 2.64g溶于100ml去离子水中，水浴加热至50℃，加入2.64g木聚糖，至木聚糖完全溶解，准确称取7.87g 3-氯-2羟丙基-磺酸钠(摩尔比1:2)加入反应体系中，60℃水浴反应12h。(2)反应结束后，用hcl调节ph为中性，将混合液进行透析7天除去杂质。将透析之后的溶液进行浓缩、冷冻干燥即可得到改性木聚糖。
21.称取一定量的步骤2获得的改性木聚糖重新溶解到去离子水中，加入多壁碳纳米管，超声处理5分钟，获得均匀的碳纳米管分散液。
22.实施例4
23.本实验以木聚糖为原料，利用3-氯-2-羟丙基磺酸钠为改性剂对木聚糖进行化学改性，制备出具有良好亲水性的木聚糖衍生物；然后，通过超声处理制备出均匀的多壁碳纳米管水分散液，具体的制备步骤如下：
24.(1)准确称取naoh 2.64g溶于100ml去离子水中，水浴加热至50℃，加入2.64g木聚糖，至木聚糖完全溶解，准确称取7.87g 3-氯-2羟丙基-磺酸钠(摩尔比1:2)加入反应体系中，60℃水浴反应6h。(2)反应结束后，用hcl调节ph为中性，将混合液进行透析7天除去杂质。将透析之后的溶液进行浓缩、冷冻干燥即可得到改性木聚糖。
25.称取一定量的步骤2获得的改性木聚糖重新溶解到去离子水中，加入多壁碳纳米管，超声处理5分钟，获得均匀的碳纳米管分散液。
26.实施例5
27.本实验以木聚糖为原料，利用3-氯-2-羟丙基磺酸钠为改性剂对木聚糖进行化学改性，制备出具有良好亲水性的木聚糖衍生物；然后，通过超声处理制备出均匀的多壁碳纳米管水分散液，具体的制备步骤如下：
28.(1)准确称取naoh 2.64g溶于100ml去离子水中，水浴加热至50℃，加入2.64g木聚糖，至木聚糖完全溶解，准确称取7.87g 3-氯-2羟丙基-磺酸钠(摩尔比1:2)加入反应体系中，60℃水浴反应24h。(2)反应结束后，用hcl调节ph为中性，将混合液进行透析7天除去杂质。将透析之后的溶液进行浓缩、冷冻干燥即可得到改性木聚糖。
29.称取一定量的步骤2获得的改性木聚糖重新溶解到去离子水中，加入多壁碳纳米管，超声处理5分钟，获得均匀的碳纳米管分散液。

技术特征：
1.一种木聚糖基多壁碳纳米管分散剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，准确称取2.64g木聚糖在50℃水浴加热条件下溶解于100ml 5％的naoh水溶液，将一定量的3-氯-2-羟丙基磺酸钠加入到反应体系中；步骤2，将上述混合溶液冷却至室温后，在一定温度下水浴加热反应一定的时间；步骤3，反应结束后，用盐酸调节ph为中性，之后透析7天除去杂质；将透析之后的溶液进行浓缩、冷冻干燥即可得到磺化木聚糖；步骤4，称取一定量的步骤3获得的磺化木聚糖重新分散到去离子水中，加入一定量碳纳米管，用细胞超声破碎仪在20％功率下超声5min，即可得到均匀的碳纳米管分散液。2.根据权利要求1所述的木聚糖基碳纳米管分散剂制备方法，其特征在于，步骤1，称取2.64g木聚糖在100ml naoh水溶液中，3-氯-2-羟丙基磺酸钠与木聚糖的摩尔比为1～2。3.根据权利要求1所述的木聚糖基碳纳米管分散剂的制备方法，其特征在于，步骤2，反应温度的范围是30～60℃，反应时间为6～24h。

技术总结
本发明涉及一种多壁碳纳米管的分散方法，具体涉及一种木聚糖基多壁碳纳米管分散剂的制备和碳纳米管的分散方法，包括以下两个步骤：


技术研发人员：彭锋 闫雪晴 饶俊
受保护的技术使用者：北京林业大学
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/9/9