一种水性碳纳米管导电浆料及其制备方法

本发明涉及一种水性碳纳米管导电浆料及其制备方法，属于涂料。

背景技术：

1、导电浆料是指具有导电特性的填料均匀分散在水、有机溶剂、树脂体系中所形成的浆料。水性导电浆料是一种既具有水性浆料的特性，又兼具导电能力的功能性浆料，因其安全、环保、低毒等优势已成为先进微纳制造、印刷电子和生物医学等先进高端领域的重要材料。

2、水性导电浆料一般由导电填料、分散剂、增稠剂、溶剂组成。常用的导电填料主要是导电碳材料，包括碳纳米管、氧化石墨烯、石墨等。常规的导电碳材料具有种类多、成本低、性能稳定等优点。其中，碳纳米管具有比表面积大、颗粒之间有较强的范德华力、在水中极易团聚，所以如何实现碳纳米管的有效分散成为当前亟待解决的关键问题。

3、目前，为了改善碳纳米管的水分散性，常用的两种方式为共价化学修饰和非共价化学修饰。其中，共价化学修饰是采用强氧化性酸等氧化处理碳纳米管之后，使得碳纳米管上带有羧基或羟基等官能团，可有效提高碳纳米管的分散性；但会破坏其结构，并对环境容易造成巨大的危害。非共价化学修饰是添加表面活性剂进行碳纳米管的分散，可以发挥碳纳米管优异的物理、化学优势；但是表面活性剂的使用常常需要伴随着长时间的超声，一定程度上破坏了碳纳米管的结构，且碳纳米管的分散量很小，使得制备的浆料中碳纳米管的固含量很小，一般小于2％。

技术实现思路

1、[技术问题]

2、碳纳米管的分散方式会在一定程度破坏了碳纳米管的结构，导致其导电性能降低；且碳纳米管的分散量很小。

3、[技术方案]

4、为了解决上述问题，本发明提供了一种在使用表面活性剂的情况下低功率、短时间分散碳纳米管的方法。本发明采用特定的溶剂(苯酚类溶剂)初步解缠碳纳米管，并通过分散剂作为乳化剂，在水中乳化碳纳米管油性分散体，增加分散剂与碳纳米管的接触面积，得到水包油乳液；再经溶剂蒸发或离心水洗处理，得到水性碳纳米管泥料；最后将水性碳纳米管泥料、增稠剂分散于水中，制备得到水性碳纳米管导电浆料。本发明能分散更高浓度的碳纳米管使得制备的导电浆料中碳纳米管的含量在2％-10％。本发明制备的导电浆料在电子标签、新能源、涂料、油墨、电池、人工智能、航空航天、通讯、塑料、纤维、织物等领域有较好的应用前景。

5、本发明的第一个目的是提供一种制备基于碳纳米管的水包油乳液的方法，包括如下步骤：

6、(1)油相：

7、将碳纳米管超声分散在溶剂中，得到碳纳米管分散液；其中，溶剂为单一苯酚类溶剂或苯酚类溶剂和低介电常数溶剂的混合溶剂；

8、(2)水相：

9、将分散剂分散在水中，得到分散剂水溶液；其中，分散剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、脱氧胆酸钠、氧化石墨烯等分散剂的一种或多种；

10、(3)制备水包油乳液：

11、将碳纳米管分散液逐滴滴加在分散剂水溶液中，进行乳化，得到基于碳纳米管的水包油乳液。

12、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中碳纳米管的平均直径为7-11nm，碳管长度为5-20μm。

13、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中碳纳米管分散液的浓度为5-10mg/ml。

14、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中超声分散是水浴超声分散，具体是40-50w、300-500rpm、20-30℃下边超声边搅拌处理5-15min。

15、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中苯酚类溶剂为间甲酚、邻甲酚、对甲酚、间苯二酚中的任意一种或几种；低介电常数溶剂为正己烷、1,4-二氧六环、甲苯、苯甲醚、氯仿中的一种或几种。

16、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)的苯酚类溶剂和低介电常数溶剂的混合溶剂中苯酚类溶剂和低介电常数溶剂的质量比为3-5：1。

17、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中分散剂为十二烷基硫酸钠(sds)和聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，两者的质量比为1：1-4；分散剂为十二烷基苯磺酸钠(sdbs)和聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，两者的质量比为1：1-4。

18、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中分散是搅拌分散，具体是20-30℃(常温)、300-500rpm搅拌5-15min。

19、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中碳纳米管和步骤(2)中分散剂的质量比为1：1-10。

20、在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中逐滴滴加的速度为8-10ml/min。

21、在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中乳化是20-30℃、600-1000rpm下乳化20-40min。

22、本发明的第二个目的是本发明所述的方法制备得到的基于碳纳米管的水包油乳液。

23、本发明的第三个目的是提供一种制备水性碳纳米管泥料的方法，包括如下步骤：

24、将基于碳纳米管的水包油乳液经过溶剂蒸发或离心水洗，得到水性碳纳米管泥料。

25、在本发明的一种实施方式中，离心水洗是10000rpm-11000rpm离心水洗10-20min；离心的次数为1-5次，使得固含量为20-30％。

26、本发明的第四个目的是本发明所述的方法制备得到的水性碳纳米管泥料。

27、本发明的第五个目的是提供一种制备水性碳纳米管导电浆料的方法，包括如下步骤：

28、将水、水性碳纳米管泥料和增稠剂溶液混合，搅拌、超声，得到水性碳纳米管导电浆料。

29、在本发明的一种实施方式中，增稠剂为羧甲基纤维素钠(cmc)、聚乙烯醇(pva)、聚氨酯、聚丙烯酸钠中的一种或几种，增稠剂溶液的质量浓度为5-15％。

30、在本发明的一种实施方式中，水、水性碳纳米管泥料和增稠剂溶液的质量比为1：0.5-2：0.1-1。

31、在本发明的一种实施方式中，搅拌是20-30℃、600-1000rpm下搅拌20-40min。

32、在本发明的一种实施方式中，超声是20-30℃、40-50w下超声20-40min。

33、本发明的第六个目的是本发明所述的方法制备得到的水性碳纳米管导电浆料。

34、在本发明的一种实施方式中，所述的水性碳纳米管导电浆料的固含为5％-15％。

35、本发明的第七个目的是提供一种制备水性碳纳米管导电涂层的方法，包括如下步骤：

36、将水性碳纳米管导电浆料涂敷在基材表面，干燥，得到导电涂层；

37、其中，基材为pet薄膜、pi薄膜或玻璃；

38、干燥是50-60℃条件下干燥0.5-1.5h；

39、导电涂层的厚度为5-50μm。

40、本发明的第八个目的是本发明所述的基于碳纳米管的水包油乳液、水性碳纳米管泥料、水性碳纳米管导电浆料在电子标签、新能源、涂料、油墨、电池、人工智能、航空航天、通讯、塑料、纤维或织物领域的应用。

41、本发明的第九个目的是提供一种提高高浓度碳纳米管在水溶液中的分散性能的方法，包括如下步骤：

42、(1)油相：

43、将碳纳米管超声分散在溶剂中，得到碳纳米管分散液；其中，溶剂为单一苯酚类溶剂或苯酚类溶剂和低介电常数溶剂的混合溶剂；

44、(2)水相：

45、将分散剂分散在水中，得到分散剂水溶液；其中，分散剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、脱氧胆酸钠、氧化石墨烯等分散剂的一种或多种；

46、(3)制备水包油乳液：

47、将碳纳米管分散液逐滴滴加在分散剂水溶液中，进行乳化，得到基于碳纳米管的水包油乳液。

48、[有益效果]

49、(1)本发明采用了特定溶剂分散碳纳米管，大大减少了超声的时间及功率，避免了破坏碳纳米管本身的结构和削弱碳纳米管的性能，使得水性碳纳米管导电浆料表现出优异的导电性。

50、(2)本发明通过乳化的工艺制备得到了高分散的水性碳纳米管导电浆料，显著提高了碳纳米管在水相中的分散性和稳定性，并确定了水性碳纳米管导电浆料的最佳工艺。

51、(3)本发明采用了特定溶剂初步解缠碳纳米管，比在水中添加分散剂直接分散，极大的提高了碳纳米管的分散效果，在较高的碳纳米管含量下具有良好的分散性。

52、(4)本发明制备的碳纳米管泥料具有良好的水分散性，同时于水性树脂也有良好的相容性，可与水性树脂复配制备稳定的水性浆料。

53、(5)本发明制备的水性碳纳米管导电浆料，分散介质为去离子水，减少了对环境的污染。

54、(6)本发明制备的水性碳纳米管导电浆料表现出优异的导电性和附着力，且浆料稳定性好，可以稳定储存2个月以上；在电子标签、新能源、涂料、油墨、电池、人工智能、航空航天、通讯、塑料、纤维、织物等领域具有广阔的应用前景。