[发明专利]大面积自支撑碳纳米管纸及其制备方法

说明书

技术领域

本发明特别涉及一种大面积自支撑碳纳米管纸及其制备方法，属于纳米碳材料制备技术领域。

背景技术

碳纳米管因具有卓越的机械性能和力学性质，近来已经成为微电子器件、智能传感、能源转化等领域中现有材料的强有力竞争者。然而，由于碳纳米管为纳米材料，将其加工成宏观体更有实际应用价值。目前的碳纳米管宏观体以无序的碳纳米管纸和有序碳纳米管阵列为主，后者因其制备上的难度而应用面较窄，前者则原料来源极为丰富，在有合适制备工艺的情况下可大规模制备。碳纳米管纸相对于必须依赖基底的阵列可自支撑，厚度可控，一般在数十微米到毫米级，电导率、热导率与比表面积均优于传统的碳纤维纸，在新型化学能源、过滤分离设备、电子器件散热等领域均有较大应用价值。

目前国际上加工碳纳米管纸的方法主要有：1)CVD沉积技术直接生长出碳纳米管纸，即，通过不停地加入催化剂(二茂铁)和碳源(醇、酯、醚等)，可以连续地在管式炉另一端得到碳纳米管膜，通过调整生长条件如温度、碳源种类和浓度等可得到不同厚度的碳纳米管纸；2)碳纳米管阵列直接干法压膜或拉膜技术，其主要基于高度较大或结构特殊的垂直碳纳米管阵列，将微米级高度的碳纳米管阵列直接向一个方向压倒成片并揭下，或使用特殊的可纺丝阵列，从其中拉出米级长度的有序碳纳米管薄膜并逐层相叠，以酒精浸润，可得大面积的碳纳米管纸；3)湿化学过滤方法，该方法基于碳纳米管粉体的湿法水相分散与抽滤，选择合适的抽滤设备可制得所需形状的碳纳米管纸。方法1)的优势在于可制备超大面积且内部碳管取向基本一致的碳纳米管毯，但缺陷是设备极为复杂且成本偏高，且由于催化剂不断加入，碳管薄膜或纤维中的杂质含量偏高，另一方面，由于碳纳米管纤维需要从高温(T＝1200℃)氢气氛围中抽出薄膜至大气环境下，操作安全性及对环境的影响不容忽视。方法2)的优势是可自由控制碳纳米管纸的大小、厚度、密度等参数，制备的碳纳米管纸中碳管取向也基本一致，但其不足之处是作为原料的超长碳纳米管阵列和可纺丝碳纳米管阵列价格较为昂贵，且需要用价格同样不菲的经抛光和表层氧化处理的硅晶片作为衬底，因而其大规模应用受到极大限制。方法3)从原料和制备工具方面与前两种方法相比均具有明显的优势，因而有更大的实际应用价值，但现有的该种技术仍存在诸多不足，例如，公开号为CN 1198391C的发明专利申请所记载的通过分散液蒸发制备碳纳米管纸的方法，其难以得到较为致密的碳纳米管纸，产品的均匀性与厚度也均存在问题，并且在有分散剂的情况下除去分散剂的工艺复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种大面积自支撑均匀碳纳米管纸及其制备方法，该碳纳米管纸面积大，且面积和厚度可控，杂质含量低，具有良好的导电性与导热性，密度、性能可调制，能够满足各种不同的应用需要，同时，其制备方法简单易操作，对原料和设备要求低，从而克服了现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种大面积自支撑碳纳米管纸，其特征在于：它具有由无序碳纳米管组成的，呈无纺布结构的宏观形态。

进一步的，所述碳纳米管纸的厚度为1μm～1000μm。

所述碳纳米管纸的面积大于50cm²。

所述碳纳米管上修饰有活性基团，所述活性基团至少选自羧基、氨基、羟基、氟和酰胺中的任意一种。

一种大面积自支撑碳纳米管纸的制备方法，其特征在于，该方法为：取碳纳米管粉体分散于溶剂中形成分散液，而后以抽滤设备处理分散液，获得具有无纺布形态的目标产物。

该方法包括如下步骤：

a.将碳纳米管粉体混入溶剂中，经分散制成均匀分散液，并根据对成品碳纳米管纸的应用需要控制分散液中碳纳米管的分散程度为单分散或糊状分散；

b.抽滤设备对分散液进行抽滤处理；

c.将碳纳米管纸与抽滤设备中的滤膜分离，并烘干成型，获得目标产物。

所述溶剂至少为水、乙醇、异丙醇、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、乙酸乙酯和氯仿中的任意一种。

若分散液中含有分散剂，则步骤b中还包含在抽滤完成之后以水清洗积附于抽滤设备中的滤膜上的碳纳米管纸的操作。

所述分散液中还含有分散剂，所述分散剂至少选自聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、纤维素，十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、吐温-80、曲拉通-100中的任意一种。

所述滤膜至少选自纤维素滤膜、聚四氟乙烯滤膜、尼龙滤膜、聚烯烃滤膜和普通滤纸中的任意一种。