专利名称：一种微波处理提高碳纳米管晶化程度和热稳定性的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用微波处理碳纳米管，提高其晶化程度和热稳定性的方法，属 于纳米新材料技术领域。背景技术：
碳纳米管是碳家族中新的一员，它优良的力学性能、良好的电学性能、中空的层状 结构、大的比表面积、良好的化学稳定性和热稳定性等优点，使其作为复合材料增强体、纳 米电子器件、吸附材料和化学催化等方面具有重要的应用价值。碳纳米管属于晶态碳，但是，在采用化学气相沉积法批量或规模化生产碳纳米管 时，往往会产生较多的非晶碳，这些非晶碳显示不出石墨晶体的性质，会使碳纳米管的性能 有所降低。另外，碳纳米管的管壁晶化程度往往较差，这两方面的因素大大影响了碳纳米管 的电学、力学、热稳定性和其它方面的性能，从而限制了碳纳米管的实际应用。目前，高温石墨化是提高碳基材料晶化程度，提高碳基材料各种性能的有效方法 之一，因此，世界各国科学家普遍采用高温石墨化的方法来提高碳纳米管的晶化程度，也就 是说，对碳纳米管进行高温处理后，可以明显地提高其石墨化程度，降低了非晶碳含量，从 而达到纯化碳纳米管目的。但是，高温石墨化碳纳米管要求在2000-3000°C的高温和真空 或氮气条件下进行(Richter E, et al.，Physical Review Letters 1997,79(14) :2738; Saito Y, Chemical Physics Letters 1995，236 :419)，需要的设备价格昂贵、体积庞大，生 产周期长，能源消耗多，生产成本大，因此大大制约了人们对晶化碳纳米管理论性能的研究 和实际应用的推广。
发明内容
针对上述技术不足，本发明提供一种利用家用微波炉在氮气或真空条件下处理碳 纳米管，使非晶碳纳米管快速、高效晶化，改善碳纳米管的电学、力学、热稳定性等性能的工 艺。本发明提出的利用家用微波炉在氮气或真空条件下处理非晶碳纳米管，使其快 速、高效晶化的工艺方法，其具体步骤如下(1)将碳纳米管放入浓硝酸和硫酸的混合溶液(体积比2 1)中，加热到120°C， 保温2小时，去除碳纳米管中所含的催化剂颗粒，冷却后用去离子水清洗碳纳米管溶液，使 溶液pH至6. 0-7. 0之间，将碳纳米管溶液放入100°C烘箱中干燥。(2)将家用微波炉进行改造，把碳纳米管放置于石英管中，再将石英管的两端封 闭，其中石英管一端接氮气，另一端接尾气洗气瓶。(3)打开氮气阀门，将石英管中的空气完全排空后，在氮气保护下打开微波炉的电 源开关，将石英管中的碳纳米管加热不同的时间。或者将碳纳米管放入烧瓶中，利用真空泵 将烧瓶抽至真空后，把烧瓶密封放置于微波炉中直接加热不同时间。(4)将微波处理后的碳纳米管从石英管中取出，利用热失重法测量其热稳定性，并用高分辨透射电子显微镜观察其晶化程度。本发明的优点在于(1)与传统的高温石墨化方法相比较，本发明不需要昂贵的设备，只需要家用微波 炉即能满足技术要求，晶化碳纳米管不需要在2000-3000°C的高温条件下进行，大大缩短了 生产周期，极大地节省了能源。(2)本发明操作简单，工艺参数易控，适合于大批量晶化碳纳米管。
图1为微波处理碳纳米管装置示意图。其中1为氩气瓶，2，胶皮塞，3为石英管，4为碳纳米管，5为微波炉，6为洗气瓶。图2原始碳纳米管与微波处理后碳纳米管的热失重曲线。图中a)原始碳纳米管， b)微波处理1分钟，c)微波处理2分钟，d)微波处理6分钟，e)微波处理10分钟。图3碳纳米管的高分辨投射电镜照片。图中a)原始碳纳米管，b)微波处理2分 钟后碳纳米管。
具体实施例方式以下将结合附图详细介绍本发明利用微波处理碳纳米管，提高其晶化程度和热稳 定性的方法。实施例1 本发明所述碳纳米管的纯化工艺如下将碳纳米管放入浓硝酸和硫酸的混合溶液 (体积比2 1)中，加热到120°C，保温2小时，去除碳纳米管中所含的催化剂颗粒，冷却后 用去离子水清洗碳纳米管溶液，将混合酸溶液洗净，使溶液PH至6. 0-7. 0之间，将碳纳米管 放入100°C烘箱中干燥备用。本发明所用微波炉的改造方法和处理碳纳米管的方法如图1所示把碳纳米管放 置于石英管中，将石英管两端用胶皮塞封闭，胶皮塞打孔并安装直径6毫米的细石英管连 接惰性气体输入管和输出管。惰性气体输入管接氮气，输出管接尾气洗气瓶，以便于排气并 隔绝碳纳米管与空气的接触，防止碳纳米管氧化。惰性气体也可采用氩气，洗气瓶中液体采 用机油而非水，防止高温碳与水蒸汽反应。在微波加热碳纳米管之前，首先打开氮气阀门，利用氮气将石英管中的空气完全 排空，在氮气保护下打开微波炉的电源开关，将石英管中的碳纳米管加热不同的时间。在氮 气保护下将碳纳米管冷却至室温后取出检测分析。本发明所述利用微波炉加热晶化后碳纳米管的热失重曲线如图2所示原始碳纳 米管从500°C开始就出现了明显的热失重现象，到635°C热失重结束。而本发明利用微波处 理碳纳米管仅仅1分钟后，碳纳米管热稳定性明显提高，从520°C开始出现明显的热失重现 象，到665°C热失重结束。微波处理碳纳米管2分钟后，碳纳米管的热稳定性进一步提高，出 现明显的热失重现象的温度达到575°C。而进一步增加微波处理时间到6-10分钟时，热稳 定性的提高程度与处理2分钟的效果差别不大，说明短时间的微波处理就能使碳纳米管的 热稳定性大大提高。本发明所述利用微波炉加热晶化后碳纳米管的高分辨电子显微镜照片如图3所示原始碳纳米管(图3a)的石墨层片不是相互平行的同心圆结构，同层的管壁呈现出波浪 式结构，而且碳纳米管的内腔结构也不明显。微波处理碳纳米管2分钟后，碳纳米管管壁的 石墨片呈现出平行的同心圆结构(图北)，同层的管壁明显变成了直线状，碳纳米管的内腔 也变的十分明显。说明短时间的微波处理大大提高了碳纳米管的晶化程度。实施例2 碳纳米管的纯化方法如实施例1所述，与实施例1不同之处在于将碳纳米管放入 圆底烧瓶中，将PE材质二通旋转阀一端接烧瓶，另一端连接真空泵。将旋转阀旋至通的位 置后，利用重-1型旋片真空泵(极限压力6 X I(T2Pa))将烧瓶抽真空，20分钟后，将旋转 阀旋至关的位置。将抽真空后盛有碳纳米管的烧瓶直接放置于微波炉中，加热不同的时间， 待碳纳米管冷却至室温后，将碳纳米管从烧瓶中取出检测。
权利要求
1.一种利用微波处理碳纳米管，提高其晶化程度和热稳定性的方法，其特征在于具体 步骤如下(1)将碳纳米管放入浓硝酸和硫酸的混合溶液(体积比2 1)中，加热到120°C，保温 2小时，去除碳纳米管中所含的催化剂颗粒，冷却后用去离子水清洗碳纳米管溶液，使溶液 PH至6. 0-7. 0之间，将碳纳米管溶液放入100°C烘箱中干燥。(2)将家用微波炉进行改造，把碳纳米管放置于石英管中，再将石英管的两端封闭，其 中石英管一端接氮气，另一端接尾气洗气瓶。(3)打开氮气阀门，将石英管中的空气完全排空后，在氮气保护下打开微波炉的电源开 关，将石英管中的碳纳米管加热不同的时间。(4)碳纳米管样品冷却后，将微波处理后的碳纳米管从石英管中取出，最终制得晶化程 度高、热稳定性好的碳纳米管样品。
2.根据权利要求1所述的微波处理碳纳米管，提高其晶化程度和热稳定性的方法，其 特征在于将碳纳米管放置于惰性气体氮气或氩气保护下进行微波加热处理。
3.根据权利要求1所述的微波处理碳纳米管的方法，特征在于也可将碳纳米管放置于 真空环境中，利用微波直接加热处理，以提高碳纳米管的晶化程度和热稳定性。
4.根据权利要求1所述的微波处理碳纳米管的方法，特征在于尾气洗气瓶中的液体采 用机油。
全文摘要
一种微波处理提高碳纳米管晶化程度和热稳定性的方法，属于纳米新材料技术领域。目前化学气相沉积法批量或规模化生产的碳纳米管，往往存在管壁石墨晶化程度差，热稳定性低的缺点，从而大大影响了碳纳米管物理化学性能并限制了碳纳米管的实际应用。为解决当前高温石墨化碳纳米管温度要求高(2000-3000℃)，设备昂贵、体积大，能耗多，生产成本大的缺点，本发明提供一种利用家用微波炉在氮气或真空条件下处理碳纳米管，使非晶碳纳米管快速、高效晶化，提高其热稳定性，改善碳纳米管理化学性能的工艺。本发明优点在于不需要昂贵的设备，只需要家用的微波炉即能满足技术要求，生产周期短，能耗低，操作简单，工艺参数易控，适合于大批量晶化碳纳米管。
文档编号B82B3/00GK102040216SQ200910209790
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月26日 优先权日2009年10月26日
发明者刘福强, 夏冰, 夏延致, 张盼, 李延辉, 杜秋菊, 王宗花 申请人:青岛大学