[发明专利]一种超薄碳纳米管薄膜及其制备方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种超薄碳纳米管薄膜及其制备方法和装置，尤其涉及一种连续的自支撑的透明导电碳纳米管薄膜及其制备方法和装置。

背景技术

碳纳米管是一种具有优异而独特的光学、电学和力学特性的材料。碳纳米管在轴向具有高的电子传导能力，在径向则受到抑制，且对可见光和近红外光没有明显的特征吸收，这些特点使由碳纳米管或碳纳米管束构建的薄膜结构（称为碳纳米管薄膜）可以兼具透明和导电的能力。此外，碳纳米管薄膜具备良好的柔韧性，一定程度的弯曲和折叠对其导电能力影响较小，是有望替代ITO作为柔性透明导电薄膜的理想材料。碳纳米管透明导电薄膜可以广泛地应用于柔性电子器件，如：碳纳米管薄膜可作为透明柔性电极，应用于发光二极管(LED)，有机发光二极管(OLED)，太阳能电池，场发射和液晶显示器等领域。

然而，碳纳米管薄膜的厚度通常应在100nm以下才能具有足够的透光率（70%左右，波长550nm）。

目前，后沉积法是国内外报道的制备柔性透明导电碳纳米管薄膜的主要方法，如：溶液喷涂法、过滤转移法、旋涂法、提拉法、电沉积法等。后沉积法主要包括三步：1）碳纳米管提纯，2）碳纳米管分散，3）碳纳米管薄膜沉积。但是，后沉积法过程复杂，得到的碳纳米管薄膜需要依附在衬底上，而且涉及化学修饰过程，对碳纳米管薄膜的电学性质的影响不能确定。尤其是通过后沉积法难以得到自支撑、连续的柔性透明导电纯碳纳米管薄膜。

多年来，为了避免化学修饰对碳纳米管薄膜的影响，人们不断探索通过直接或间接的非化学修饰过程获得柔性透明导电碳纳米管薄膜的制备方法。但是，由于受其制备条件的约束，直接生长的碳纳米管薄膜的厚度需大于100nm，因为小于100nm的薄膜无法从生长腔壁上被完整地揭下来，而且面积也受生长腔的制约，可得到的薄膜面积约100cm²，尚不能够连续制备，这无疑限制了直接制备的碳纳米管薄膜的规模化和进一步应用。因此，如何直接制备出连续的超薄的自支撑的透明导电碳纳米管薄膜，推动其规模化生产和在柔性透明电子器件中的广泛应用，是该领域科学工作者面临的重要挑战之一。

近年来，人们已研究出多种合成连续的碳纳米管丝线和膜的方法，但是至今仍不能实现超薄（膜厚小于100nm）的自支撑的透明导电碳纳米管薄膜的连续直接制备，阻碍了碳纳米管研发和产业化。如何实现超薄的自支撑的透明导电碳纳米管薄膜的连续直接制备，是扩展碳纳米管应用范围的迫切需要解决的关键问题。另外，现有的直接制备连续碳纳米管丝线和膜的技术主要是采用催化裂解方法，生长室除了预留进气孔和出气孔外，需要密封，不仅成本高，而且更不利于大规模收集碳纳米管薄膜；且实验装置较为复杂。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种超薄碳纳米管薄膜的连续制备方法以及制备装置，能够制备出连续、超薄、自支撑的透明导电碳纳米管薄膜，且该装置结构简单，无需密封，可大规模连续收集碳纳米管薄膜。

本发明提供一种用于制备碳纳米管薄膜的方法，包括：

提供碳纳米管生长室，该碳纳米管生长室具有入口端和出口端，且在所述入口端和出口端之间至少包括相连通的第一级生长腔和第二级生长腔；

使用于形成碳纳米管的前驱体材料至少在所述碳纳米管生长室的第一级生长腔内发生反应生成碳纳米管；

使载气通过所述入口端流入所述生长室，并依次通过所述第一级生长腔和所述第二级生长腔，其中在所述第一级生长腔和第二生长腔的交界处，所述第一级生长腔在载气流动方向上的径向尺寸小于第二级生长腔的径向尺寸，且在第一级生长腔于第二级生长腔中开口的位置处，前驱体材料在载气的带动下产生吹泡过程，形成与第一级生长腔相连通的封闭的圆筒状碳纳米管薄膜；

在所述生长室的出口端连续收集碳纳米管薄膜。

根据本发明提供的方法，其中所述第一级生长腔（3a）为多个，共同开口在同一个第二级生长腔（14）中。

根据本发明提供的方法，还包括第三级至第N级生长腔，N大于3，在载气流动方向上，第一级至第N级生长腔的平均径向尺寸依次增大。

根据本发明提供的方法，其中所述第一级至第N级生长腔中的每一个为管状，且直径互不相同，所述第一级至第N级生长腔连通形成阶梯管状生长室。

根据本发明提供的方法，其中所述第一级至第N级生长腔中的至少一个为锥管状。

根据本发明提供的方法，其中所述第一级生长腔和第二级生长腔为径向尺寸不同的管，在载气流动的方向上，第一级生长腔的一端伸入到第二级生长腔中，载气流过生长室时经过第一级生长腔和第二级生长腔的至少一部分。