[发明专利]制造碳凝聚性组件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及含有碳的凝聚性组件的制备方法，其中起始材料在某些规定条件下被自组合为圆片，晶片，膜，或者具有所期望形状的物体。在优选的实施方式中，通过本发明的方法制备的这些碳组件含有碳纳米管。如此制备的这些组件显示高碳充填密度和低电阻率，并具有各种各样的应用前景，如在电能存储和电磁干扰屏蔽中。

背景技术

来源于各种碳源的碳组件具有大量电流和预期的商业，工业，和高科技应用。例如，通常形式为松散的粉末，颗粒，或者不规则团块的活性炭或者活性碳在过滤和催化剂支架中具有各种用途。此种材料近来也被开发用于能量储存应用，作为离子交换介质或者超级电容电极材料。各种形式的石墨具有众多用途，例如，在刹车片中作为耐熔材料，以及在电弧炉中作为电极。已经对插入式石墨和膨胀石墨用于阻燃剂和高温应用进行研究。这些碳组件具有许多期望的性能，如对化学腐蚀的抵抗性，对高温的抵抗性，和在活性碳情况下的高表面面积，以及在石墨情况下的电导率和润滑性。然而，这些材料通常需要粘合剂或者基质材料，以将其成形为具有期望形状和尺寸，良好的机械强度和完整性的凝聚性组件。

近来，各种形式的碳纳米管(CNT)组件已经引起许多关注，并正被研究和开发用于多种应用。这种组件在文献中被称为“巴克纸(buckypaper)”或“巴克片(buckydiscs)”。例如，Dharap等人在Nanotechnology 15(2004)，379-382页的“用于应变传感的基于单壁碳纳米管的纳米管膜”中研究了随机定向的CNT的无向性膜作为机械应变传感器的用途。Cao等人在Nano Research 1，4(2008)，259-272页的“用于电子器件应用的单壁碳纳米管的随机网络和对准排列”中论述了CNT的随机网络或者对齐排列作为薄膜晶体管的用途。Ma等人在美国专利号7,576,027B2，“含催化剂的碳化物和碳氧化物的制造方法”中公开了由随机卷绕的CNT集合体制造的用于流体相化学反应的催化剂载体。Liu等人在美国专利申请公开号为US 2009/0116171A1的“具有碳纳米管的电解电容器”中公开了具有由独立式CNT膜制造的电极的电解电容器。

尽管碳凝聚性组件，特别是那些碳纳米管的凝聚性组件应用前景多种多样，还研究了生产这种组件的若干方法。然而，这些方法通常涉及复杂的过程，包括CNT的化学修饰，在高温下与有害气体的反应，高压的作用，高腐蚀性材料的使用，或者其它技术，其昂贵或者难以扩大规模用于制造用途。

例如，Smalley等人在美国专利号为7,048,999B2的“用于生产含有单壁碳纳米管及其组合物的自组装物体的方法”中公开了由CNT末端盖去除和衍生的复合工艺形成的CNT组件。Tohji等人在美国专利申请公开号为US 2007/0209093A1的“碳纳米管集合体，其形成方法，和生物相容材料”中公开了CNT集合体的形成方法，其包括暴露于氟气，然后在高温高压下烧结。

Liu等人在US 2009/0116171A1中，以及Hata等人在美国专利申请公开号为US 2009/0272935A1的“对齐排列的碳纳米管块集合体，其生产工艺及用途”中公开了制备CNT组件的方法，其需要采用通过CVD工艺在基质上生长的CNT簇。这些方法依次包括溶剂洗涤，压缩，和/或干燥步骤，并被限于起始CNT簇的规模。此外，这些组件的特征在于CNT具有主要方向上的定向或者对齐排列，其给予这些组件各向异性和大幅度的单向性。

Whitby等人在Carbon 46(2008)第949-956页的“巴克纸和巴克片的几何控制和可调的孔径分布”中公开了用于形成CNT组件的熔合压缩方法，其也需要高压。而且，CNT在这些组件之内不均匀分布，并且这些组件具有巨大的大孔和很高的孔隙率(＞80％)。

最近，Davis等人在Macromolecules 37(2004)第154-160页的“SWNT在超强酸中的相特性和流变性”中公开了在含硫超强酸中形成单壁CNT溶液的方法。还公开了通过在乙醚中终止反应以及过滤生产CNT绳的卷绕晶体管(entangled mat)的方法。

总之，需要有改进的方法来制备具有优良的机械强度和完整性的碳凝聚性组件，特别是碳纳米管凝聚性组件，其方式简单，允许将组件制备为期望的形状，并在各个组件的尺寸和大量组件的制造上均可调整规模。本发明可满足此种需求，并提供其它相关优点。

发明内容

概述