Способ получения модифицированных углеродных нанотрубок

Изобретение относится к способу получения модифицированных углеродных нанотрубок (УНТ), содержащих водорастворимые эпоксидные смолы алифатического ряда ДЭГ-1, ТЭГ-1 и эпоксидно-гидантоиновую смолу ЭГ-10, предназначенных для усиления механических свойств композиционных материалов на основе эпоксидных смол, модификации различных клеевых составов, для получения суперконденсаторов и др.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен способ получения дисперсий УНТ, включающий функционализацию углеродных нанотрубок карбоксильными и/или гидроксильными группами и последующую обработку функционализированных нанотрубок в органическом растворителе ультразвуком. При этом обработку в органическом растворителе ультразвуком ведут в присутствии продуктов реакции тетрабутилтитаната со стеариновой или олеиновой кислотой (RU 2531172 С2, опубл. 20.10.2014).

Недостатками известного способа получения дисперсий углеродных нанотрубок являются высокие энергозатраты и длительность получения дисперсии.

Кроме того, известен способ замещения фтора на фторированных углеродных нанотрубках (F-УНТ) путем химических реакций с различными реагентами, такими как амины, амиды, аминокислоты, аминоспирты и др. (В.Н. Хабашеску, Ковалентная функционализация углеродных нанотрубок: синтез, свойства и применение фторированных производных, Обзор. Успехи химии 80 (8), 2011, с. 739-760, прототип).

Недостатками способа замещения фтора на фторированных углеродных нанотрубках являются высокие энергозатраты и длительность получения композитного материала, сшивки трубок полимерными цепями, например, при использовании мочевины.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является разработка способа получения модифицированных УНТ при ковалентной функционализации F-УНТ водорастворимыми эпоксидными смолами.

Техническим результатом изобретения является снижение энергозатрат и времени получения модифицированных УНТ при высоком выходе конечного продукта.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ получения модифицированных УНТ включает следующие этапы:

a) обработка в ультразвуковом концентраторе раствора, содержащего водорастворимую эпоксидную смолу и воду, с добавкой в раствор F-УНТ;

b) фильтрование обработанного раствора, содержащего модифицированные УНТ, с промывкой водой до исчезновения окраски в фильтрате;

c) разбавление водой отфильтрованных модифицированных УНТ с последующей обработкой водного раствора в ультразвуковой ванне;

d) фильтрование водного раствора модифицированных углеродных нанотрубок с промывкой ацетоном и сушка модифицированных углеродных нанотрубок.

Применяют однослойные или многослойный фторированные F-УНТ. Концентрация F-УНТ в растворе составляет 1-2 мг/г.

В качестве водорастворимых эпоксидных смол применены эпоксидные смолы ДЭГ-1, ТЭГ-1, эпоксидно-гидантоиновая смола ЭГ-10.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения модифицированных УНТ включает следующие этапы. Приготавливают при комнатной температуре раствор, содержащий 5-95 мас. % водорастворимой эпоксидной смолы и воды - остальное. В раствор добавляют F-УНТ, при этом концентрация F-УНТ в растворе составляет 1-2 мг/г. В качестве водорастворимой эпоксидной смолы применены алифатические эпоксидные смолы ДЭГ-1 (продукт конденсации эпихлоргидрина с диэтиленгликолем), ТЭГ-1 (продукт конденсации эпихлоргидрина с триэтиленгликолем) и эпоксидно-гидантоиновая смола ЭГ-10 (продукт взаимодействия эпихлоргидрина и 5,5-диметилгидантоина), а в качестве F-УНТ применяют однослойные или многослойный F-УНТ.

Затем приготовленный раствор помещают в ультразвуковой концентратор, в котором раствор подвергается звуковой обработке при частоте 5-15 КГц в течение 15-25 мин, в результате которой происходит замещение F на фрагменты эпоксидной смолы с получением раствора модифицированных УНТ эпоксидной смолой.

После чего осуществляют фильтрование обработанного раствора, содержащего модифицированные УНТ, на фильтре в 1 мкн с промывкой водой до исчезновения окраски в фильтрате (например, при наличии в фильтрате ДЭГ-1 цвет желтый).

Затем осуществляют разбавление водой (50-100-кратный избыток) отфильтрованных модифицированных УНТ с последующей обработкой водного раствора в ультразвуковой ванне при частоте 30-50 Гц в течение 10-15 мин для удаления адсорбированных на F-УНТ эпоксидных смол.

После чего осуществляют фильтрование обработанного водного раствора модифицированных углеродных нанотрубок с промывкой ацетоном с целью полного удаления водорастворимых эпоксидных смол и воды с последующей сушкой модифицированных углеродных нанотрубок при температуре 120-130°C в течение часа.

В таблице 1 представлены результаты экспериментов заявленного способа. Промывку безводным ацетоном осуществляют до тех пор, пока в ацетоне не обнаруживается вода.

Кроме того, эксперименты показали, что при изготовления композиционного материала на основе двух смол ЭД-20 (70 мас. % от общего содержания двух смол) и ДЭГ-1 (30 мас. % от общего содержания двух смол) - модифицированные УНТ, среднее значение разрушающей нагрузки при изгибе составляет 1802-1990 Н, среднее значение напряжение при изгибе составляет 472-487 МПа. В случае отсутствия модифицированных УНТ среднее значение разрушающей нагрузки при изгибе составляет 1194 Н, среднее значение напряжения при изгибе составляет 332 МПа.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет снизить энергозатраты и время получения композитного материала с высоким выходом композитного материала за счет выполнения способа при комнатной температуре, по сравнению с прототипом, в котором обработку ультразвуком осуществляют при температуре 90°C, например, при использовании мочевины.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.