[发明专利]高导电碳纳米管薄膜的制备方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种导电薄膜的制备方法及装置，尤其涉及一种高导电碳纳米管薄膜的制备方法及装置，属于材料科学领域。

背景技术

自从Iijima在1991年发现碳纳米管以来，因其独特的离域电子结构和物理化学性质，碳纳米管在一系列领域得到了极大的关注。作为其中的一个重要应用，碳纳米管薄膜技术在近年也取得了一些进展。目前为止，主要有两种方式来实现碳纳米管薄膜的制备。其中一种是将分散的碳纳米管进行诸如真空过滤、涂布、印刷等成膜处理得到碳纳米管薄膜，我们称之为“湿法”。在湿法成膜时，碳纳米管经分散处理以后，碳纳米管的长度和结构都会受到破坏，极大地影响了碳纳米管的性能，所形成的薄膜的导电性也会大大降低；同时湿法成膜技术需要经历很多处理步骤，造成工艺的复杂性和生产成本的上升。另一种是不经分散直接成膜的方法，我们称之为“干法”，相对于湿法成膜而言，干法无需对碳纳米管进行分散处理而直接成膜，不仅大大减少了工艺步骤，节约了成本，而且还有利于碳纳米管结构和长度的保持，是充分发挥碳纳米管性能，制备高性能碳纳米管薄膜的有效途径。

现有的干法成膜主要有如下两类方法：一类是基于阵列化碳纳米管的拉丝成膜工艺，其主要是基于多壁碳纳米管的阵列所形成的薄膜，但因多壁碳纳米管的大管径及高衬度，所得到的薄膜导电性往往较低，同时这种方法只能得到基于平行纤维所形成的各项异性导电材料。另一类是基于浮动催化裂解法所形成的碳纳米管抽滤成膜技术，通过将碳纳米管气流经滤膜抽滤后在滤膜上形成薄膜，该方法因受反应管尺寸及多孔滤膜尺寸的限制很难获得大尺寸的碳纳米管薄膜；同时所得到的薄膜还需经转移处理才能获得在期望的基底上成膜，不仅操作不方便，还很难将碳纳米管薄膜转移至玻璃类易碎的基底上，造成了应用上极大的局限性。

最近，本案发明人也发现公开号为CN101707904A的专利披露了通过将浮动催化裂解法制备的碳纳米管直接附着于基板上成膜的方法，但该方法所使用的温度仅限于200℃以下，大大限制了催化裂解的反应条件，不利于高质量的碳纳米管的合成，同时因为成膜处的温度高，很难在高分子薄膜上形成碳纳米管薄膜，另外碳纳米管附着基板的过程中缺乏有效的导向力，难以实现薄膜的可控性和均匀度。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种高导电碳纳米管薄膜的制备方法，以实现高性能碳纳米管薄膜的高效成膜，从而克服现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高导电碳纳米管薄膜的制备方法，包括：

利用浮动催化裂解法在温度为1250-1600℃的条件下制备碳纳米管气溶胶，并将所述碳纳米管气溶胶导入封闭空腔内，

以及，在与所述封闭空腔上开设的狭缝的对应位置设置基底，并以定向磁场诱导所述封闭空腔内的碳纳米管穿过所述狭缝，并定向沉积到基底上，形成高导电碳纳米管薄膜。

作为较为优选的实施方案之一，所述碳纳米管气溶胶的制备工艺具体包括：

将碳源、催化剂及生长促进剂通过载气输入管式炉，在温度为1250-1600℃的条件下将碳源催化裂解生成碳纳米管气溶胶；

所述碳源至少选自苯、甲苯、一氧化碳、甲烷和正己烷之中的任意一种，所述催化剂包括二茂铁和/或二茂镍，所述生长促进剂包括噻吩和/或硫粉，所述载气至少选自氮气、氢气和氩气之中的任意一种。

尤为优选的，该高导电碳纳米管薄膜的制备方法还包括：利用空气超声波发生器对所述封闭空腔内的碳纳米管气溶胶进行混匀处理，以非机械搅拌的方式使碳纳米管在空腔内形成均匀的气凝胶，赋予碳纳米管薄膜较好的均一性。

作为较为优选的实施方案之一，该高导电碳纳米管薄膜的制备方法还包括：在向基底表面定向沉积碳纳米管的过程中，还使基底以设定速度沿切向与所述狭缝相对运动，从而在基底上形成连续的高导电碳纳米管薄膜。

本发明的另一目的在于提供一种高导电碳纳米管薄膜的制备装置，包括：

碳纳米管气溶胶生成装置，

用于容置碳纳米管气溶胶的封闭空腔，所述封闭空腔与所述碳纳米管气溶胶生成装置连通，并且所述封闭空腔上设有至少一条狭缝；

基底，其设置在所述封闭空腔之外，且与所述狭缝对应的位置处；

以及，磁场发生装置，用于产生可以诱导所述封闭空腔内的碳纳米管穿过所述狭缝，并定向沉积到所述基底上形成高导电碳纳米管薄膜的定向磁场。

作为较为优选的实施方案之一，所述碳纳米管气溶胶生成装置包括至少一个管式炉，所述管式炉包括炉体以及置于炉体内的炉管，所述炉管与封闭空腔连通。