專利名稱：一種制備碳材料/納米銅粉復合材料的方法
技術領域：
本發(fā)明公開了一種新型多功能填料的制備方法，屬于填料合成領域。
背景技術：
本發(fā)明所用的碳材料包括碳納米管、碳纖維、石墨及石墨烯，它們都有獨特的結構性能和用途，例如碳納米管是由石墨層卷曲而成的無縫納米管狀晶體，具有導電性、高強度、化學穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性高、良好的軸向導熱性、低溫超導性、電磁波吸收特性和較好的吸附性等諸多性能，研究表明，碳納米管可被廣泛用于能源、材料、生命科學等高科技領域中，如它可用作新型增強材料，電子元件、隱身材料、新型貯氫材料、催化劑載體和電極材料等；碳纖維是纖維狀的碳素材料，具有十分優(yōu)異的力學性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強度和最高比模量，還兼具低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、高震動衰減性、低熱膨脹系數(shù)、導電導熱性、電磁屏蔽性和紡織加工性等，碳纖維制得的復合材料可被應用于航空、航天、軍事及民用工業(yè)的各個領域；石墨具有由碳六角共軛平面堆積而成的層狀結構，有很好的導電性、高的磁化率、導熱系數(shù)和優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和自潤滑性能；石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維周期蜂窩狀點陣結構，兼有石墨和碳納米管等碳材料的一些優(yōu)良性質，例如高熱導性和高機械強度，更為奇特之處是其獨特的電子結構和電學性質，研究表明石墨烯可以用于制造納電子器件、取代計算機芯片的硅材料、快速碳晶體管、降噪材料、場發(fā)射材料、量子計算機以及超靈敏傳感器等領域，以石墨烯制備的納米復合材料也表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性能。銅粉是重要的工業(yè)原料，廣泛用于電學領域，如導電膠、導電涂料和電極材料的制作等。納米銅粉以其獨特的性能應用在高效催化劑、導電漿料、抗菌劑、高導電率、高比強度合金和固體潤滑劑等方面，且由于其價格比貴金屬金、銀、鈀等低很多，因而越來越受到人們的重視。目前，制備納米銅粉的主要方法有氣相蒸發(fā)法、等離子體法、機械化學法、電解法、反相微乳液法、化學還原法、微波輻照合成法、超臨界萃取法等，這些方法各有其特點，其中化學還原法雖然克服了其它方法成本高、效率低、難以產(chǎn)業(yè)化等缺點，但由于所用的硼氫化鉀和硼氫化鈉等強還原劑價格較高，提高了納米銅粉的制造成本。將碳材料與納米銅粉復合制得的復合材料兼具碳材料和納米銅粉的性能。目前制備的碳材料/銅復合材料中碳材料用的較多的是碳納米管，其復合方法要么是在銅粉上原位生長碳納米管，要么是將銅粉與碳納米管混合后進行機械球磨，這些方法實施起來相對比較復雜，不利于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種適合工業(yè)制備的碳材料/納米銅粉多功能復合填料的方法。本發(fā)明的目的是通過如下原理實現(xiàn)的:先將一定量的硫酸銅或氯化銅等水溶性銅鹽溶解到去離子水中制成溶液，并將適量分散劑溶于銅鹽溶液中，然后將適量碳材料通過超聲波或均質機或勻漿機等分散設備均勻分散到銅鹽溶液中，并加入稍過量的鐵、鋅等金屬還原劑，將混合體系持續(xù)攪拌或超聲一定時間使銅被完全還原，然后將混合體系過濾以除去其中大部分的水，再將過濾得到的粉末中多余的還原劑用適量稀硫酸完全溶解并濾除，分別用去離子水和無水乙醇將所得粉末清洗并過濾數(shù)次至濾液無色，然后將所得粉末常溫真空干燥即可得到碳材料/納米銅粉復合材料。本發(fā)明所用方法的特征在于可在分散有碳材料的水相介質中通過金屬還原劑與銅鹽之間的氧化還原反應制得納米級銅粉，并同時實現(xiàn)其與碳材料的原位復合，得到一種兼具碳材料和納米銅粉各自功能的多功能填料。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所用的制備碳材料/納米銅粉復合材料的方法具有過程簡單、條件溫和、能耗低、容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點。
具體實施例方式實例I先將10克無水硫酸銅溶解到200毫升去離子水中制成溶液，并將0.5克十二烷基硫酸鈉分散劑溶于銅鹽溶液中，然后將0.7克碳納米管均勻分散到銅鹽溶液中，一邊攪拌一邊向溶液中加入5克鐵粉，將混合體系持續(xù)攪拌使銅被完全還原，用適量稀硫酸將混合體系過濾得到的粉末中多余的鐵粉完全溶解并濾除，再分別用去離子水和無水乙醇浸泡所得粉末，并過濾數(shù)次至濾液無色，然后將所得粉末常溫真空干燥即可得到質量比為1: 6的碳納米管/納米銅粉的復合材料。實例2先將17克無水硫酸銅溶解到200毫升去離子水中制成溶液，并將0.5克十二烷基硫酸鈉分散劑溶于銅鹽溶液中，然后將0.6克碳納米管通過超聲波均勻分散到銅鹽溶液中，一邊攪拌一邊向溶液中加入6克鐵粉，將混合體系持續(xù)攪拌使銅被完全還原，用適量稀硫酸將混合體系過濾得到的粉末中多余的鐵粉完全溶解并濾除，再分別用去離子水和無水乙醇浸泡所得粉末，并過濾數(shù)次至濾液無色，然后將所得粉末常溫真空干燥即可得到質量比為1: 10的碳納米管/納米銅粉的復合材料。實例3先將34克無水硫酸銅溶解到200毫升去離子水中制成溶液,并將0.5克十二烷基硫酸鈉分散劑溶于銅鹽溶液中，然后將0.7克碳納米管通過超聲波均勻分散到銅鹽溶液中，一邊攪拌一邊向溶液中加入12克鐵粉，將混合體系持續(xù)攪拌使銅被完全還原，用適量稀硫酸將混合體系過濾得到的粉末中多余的鐵粉完全溶解并濾除，再分別用去離子水和無水乙醇浸泡所得粉末，并過濾數(shù)次至濾液無色，然后將所得粉末常溫真空干燥即可得到質量比為1: 20的碳納米管/納米銅粉的復合材料。實例4先將34克無水硫酸銅溶解到200毫升去離子水中制成溶液,并將0.5克吐溫溶于銅鹽溶液中，然后將0.7克碳納米管通過超聲波均勻分散到銅鹽溶液中，一邊攪拌一邊向溶液中加入12克鐵粉，將混合體系持續(xù)攪拌使銅被完全還原，用適量稀硫酸將混合體系過濾得到的粉末中多余的鐵粉完全溶解并濾除，再分別用去離子水和無水乙醇浸泡所得粉末，并過濾數(shù)次至濾液無色，然后將所得粉末常溫真空干燥即可得到質量比為1: 20的碳納米管/納米銅粉的復合材料。實例5先將34克無水硫酸銅溶解到200毫升去離子水中制成溶液，并將0.5克十二烷基硫酸鈉溶于銅鹽溶液中，然后將0.7克碳納米管通過超聲波均勻分散到銅鹽溶液中，一邊攪拌一邊向溶液中加入14克鋅粉，將混合體系持續(xù)攪拌使銅被完全還原，用適量稀硫酸將混合體系過濾得到的粉末中多余的鋅粉完全溶解并濾除，再分別用去離子水和無水乙醇浸泡所得粉末，并過濾數(shù)次至濾液無色，然后將所得粉末常溫真空干燥即可得到質量比為I: 20的碳納米管/納米銅粉的復合材料。實例6先將34克無水硫酸銅溶解到200毫升去離子水中制成溶液，并將0.5克聚乙二醇溶于銅鹽溶液中，然后將0.7克碳納米管通過超聲波均勻分散到銅鹽溶液中，一邊攪拌一邊向溶液中加入12克鐵粉，將混合體系持續(xù)攪拌使銅被完全還原，用適量稀硫酸將混合體系過濾得到的粉末中多余的鐵粉完全溶解并濾除，再分別用去離子水和無水乙醇浸泡所得粉末，并過濾數(shù)次至濾液無色，然后將所得粉末常溫真空干燥即可得到質量比為1: 20的碳納米管/納米銅粉的復合材料。實例7先將34克無水硫酸銅溶解到200毫升去離子水中制成溶液，并將0.5克聚乙二醇溶于銅鹽溶液中，然后將0.7克碳納米管通過超聲波均勻分散到銅鹽溶液中，一邊攪拌一邊向溶液中加入14克鋅粉，將混合體系持續(xù)攪拌使銅被完全還原，用適量稀硫酸將混合體系過濾得到的粉末中多余的鋅粉完全溶解并濾除，再分別用去離子水和無水乙醇浸泡所得粉末，并過濾數(shù)次至濾液無色，然后將所得粉末常溫真空干燥即可得到質量比為1: 20的碳納米管/納米銅粉的復合材料。實例8先將34克無水硫酸銅溶解到200毫升去離子水中制成溶液,并將0.5克吐溫溶于銅鹽溶液中，然后將0.7克碳納米管通過超聲波均勻分散到銅鹽溶液中，一邊攪拌一邊向溶液中加入14克鋅粉，將混合體系持續(xù)攪拌使銅被完全還原，用適量稀硫酸將混合體系過濾得到的粉末中多余的鋅粉完全溶解并濾除，再分別用去離子水和無水乙醇浸泡所得粉末，并過濾數(shù)次至濾液無色，然后將所得粉末常溫真空干燥即可得到質量比為1: 20的碳納米管/納米銅粉的復合材料。
權利要求
1.一種制備碳材料/納米銅粉復合材料的方法，其特征在于用金屬還原劑在分散有碳材料的銅鹽去離子水溶液中將銅鹽中的銅還原為銅單質的同時實現(xiàn)銅與碳材料的復合，過濾干燥后可以得到碳材料/納米銅粉復合材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所用的碳材料包括碳纖維、碳納米管、石墨、石墨稀等。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所用的還原劑為比銅活潑的金屬單質如鐵、鋒等。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于需要在銅鹽溶液中溶入十二烷基硫酸鈉、吐溫和聚乙二醇等水溶性分散劑以改善碳材料在水中的分散性。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于需要通過超聲波、均質機或勻漿機等分散設備使碳材料均勻分散到到銅鹽溶液中。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所得到的碳材料/納米銅粉復合材料中碳材料和銅粉可為任意配比。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所形成的碳材料/納米銅粉復合材料為粉末。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所得到的碳材料/納米銅粉復合材料是具有導電、抗靜電、導熱、增強等多種功能的填料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備碳材料/納米銅粉復合材料的方法，屬于填料合成領域。先將一定量的水溶性銅鹽溶解到去離子水中制成溶液，并將適量分散劑溶于銅鹽溶液中，然后將適量碳材料均勻分散到銅鹽溶液中，并加入稍過量的鐵、鋅等金屬還原劑，將混合體系持續(xù)攪拌或超聲使銅被完全還原，然后將混合體系過濾以除去其中大部分的水，再將過濾得到的粉末中多余的還原劑用適量稀酸完全溶解并濾除，分別用去離子水和無水乙醇將所得粉末清洗并過濾數(shù)次至濾液無色，然后將所得粉末常溫真空干燥即可得到碳材料/納米銅粉復合材料，該復合材料可用作多功能填料。
文檔編號B22F9/24GK103203464SQ20131010365
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權日2013年3月15日
發(fā)明者陳利 申請人:青島科技大學