[发明专利]一种高取向度的碳纳米管纸的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米管纸的制备领域，特别涉及一种高取向度的碳纳米管纸的制备方法。

背景技术

碳纳米管(CNT)由日本电镜专家Iijima于1991年发现，是继C60之后碳家族中出现的又一新成员。碳纳米管因其具有优异的物理化学性能，在场发射，电池及超级电容器，传感器，高性能复合材料等领域具有很好的应用前景。到目前为止，由其组装而成的宏观结构有碳纳米管丝带、纤维、薄膜以及碳纳米管纸(也称为Buckypaper，巴基纸)等。碳纳米管纸是由相互纠缠的碳纳米管，通过管与管之间的范德华力构成的像纸一样的碳纳米管薄层。无论作为功能材料还是增强材料，碳纳米管所具有的优异物理、化学性能，碳纳米管纸都能具有。

由碳纳米管组成的碳纳米管纸不仅具有导电性，还具有优异的电热性能和吸波性能，其巨大的比表面积使其成为很好的吸附过滤材料。虽然有关碳纳米管纸的应用领域尚在研究阶段，但其相对于碳纤维纸的优势已体现了其极大的应用价值。碳纳米管纸的另一个主要应用领域是燃料电池，碳纳米管纸可以用来制作电极、电容和电池主体，由碳纳米管纸制成的电池无毒，散热性好，比笔记本电脑上使用的石墨电池更轻，更节能。此外由碳纳米管纸制成的增强复合材料已经实现，已报道由碳纳米管纸制成的复合材料具有强度3GPa，导电性超过5000S/cm，可以与碳纤维复合材料媲美。总之碳纳米管纸作为功能材料和增强材料的用途远不止上述几点，它的许多性能还有待去认识、开拓。譬如在环保、航空航天、冶金、能源和建材等诸多行业，都存在着广博的潜在市场。

目前碳纳米管纸的制备方法有抽滤法，旋涂法、滚压法以及直接生长出碳纳米管纸的化学气相沉积法。抽滤法，旋涂法和滚压法均是先制备出碳纳米管再通过适当的后处理得到的碳纳米管纸。其中抽滤法是将制备好的碳纳米管分散在液体溶剂中形成悬浮液，通过抽滤得到巴基纸的一种方法。这种传统方法制备的碳纳米管纸由杂乱无章的碳纳米管相互纠缠再形成，很难实现纳米管的有序排列。滚压法是用圆柱面直接将竖直排列的碳纳米管阵列按一定方向压倒形成碳纳米管纸。这种方法形成的巴基纸中碳管只能在一个方向上高度取向，并不能带来机械性能的显著提高，且巴基纸的尺寸受碳纳米管阵列尺寸规格限制。化学气相沉积法虽然能够获得具有一定取向度碳纳米管纸，但方法制备工艺复杂并对设备要求较高。综上所述，传统的碳纳米管巴基纸多为杂乱无章的碳纳米管网状结构，这种结构大大削弱了巴基纸中力学性能和导电性，严重限制了碳纳米管纸的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高取向度的碳纳米管纸的制备方法，该方法工艺简单高效，对碳纳米管的结构及形态不造成损伤，并能够通过改变设备参数实现可控厚度、尺寸和大小的碳纳米管纸，制备的碳纳米管纸可广泛应用于电池以及过滤材料中，具有良好的应用前景。

本发明的一种取向度可控的碳纳米管纸的制备方法，包括：

将碳纳米管薄膜粘覆在卷绕辊上，卷绕碳纳米管薄膜，同时在卷绕辊上喷洒可挥发性溶剂，待溶剂充分挥发即可制得取向度可控的碳纳米管纸。

所述卷绕辊材料为金属、高聚物或玻璃，卷绕辊相对于薄膜喂入方向做水平来回移动，以使宽度较窄的薄膜覆盖整个卷绕辊面。如采用金属或橡胶作为介质材料，可在其上包覆一层聚合物或其他金属薄膜以方便碳纳米管纸的脱取。如采用玻璃作为介质材料，可在玻璃辊上事先喷洒脱模剂，这样制作的碳纳米管纸具有更为光滑平整的表面。

所述卷绕辊通过一个联轴器和皮带以一个电机相连，电机由一可调电源控制卷绕辊的转速。

所述碳纳米管为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或二者混合物。

所述碳纳米管由直接生长法或固相拉膜法制备，并可通过一定程度的拉伸进一步提高其中碳纳米管的取向度。并且，为了增加该碳纳米管纸的力学性能或电学性能，在各种碳纳米管的管壁上进一步功能化修饰有包括但不限于羧基或氨基等。

所述可挥发性溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、水中的一种或几种。如采用乙醇作为喷洒溶剂，薄膜相互之间能够更紧密排列，可通过加入水的方法改变碳纳米管之间的排列致密度。也可通过混合其他溶剂的方法引入少部分高分子基团。

所述碳纳米管纸的厚度通过改变卷绕速度和卷绕时间控制。

所述碳纳米管纸的宽度和长度通过改变卷绕辊直径和卷绕碳纳米管薄膜覆盖面积控制。

本发明碳纳米管薄膜的运行方向可以与卷绕辊轴相垂直，也可以与卷绕辊轴之间存在稳定或变化的角度，以获得多种结构的碳纳米管薄膜。同时辊轴也可以是包括圆柱体，圆锥体或者其它曲面结构的多种形状。