[发明专利]一种高取向高强度的阵列牵伸碳纳米管薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种碳纳米管薄膜的制备方法，具体地说，是指一种高取向高密度的超强碳纳米管薄膜及其制备方法。

背景技术

1991年日本电镜专家Iijima在氩气直流电弧放电后的阴极碳棒上发现了一种由碳原子构成的直径几纳米、长几微米的中空管，即碳纳米管(CNTs)。随后，世界各国研究者在碳纳米管的合成及应用上不断取得成就，极大的推动了碳纳米管材料及纳米材料的发展。碳纳米管因其独特的中空笼状和封闭拓扑结构，能承受大于40％的应变张力，具备极高的强度、韧性和弹性模量，是一种新型的轻质高强材料。另外，碳纳米管具有独特的表面特性，其比表面积大，表面能和表面结合能高，且具有优良的电子传导能力，因此其具备优异的电性能、热性能和光性能。基于上述碳纳米管的各种优点，碳纳米管可被广泛应用在电子、化工、生物等行业。但是由于碳纳米管的纳米尺度和其分子间较强的范德华力，使得碳纳米管极易发生团聚，在宏观材料中难以分散，限制了碳纳米管优异性能的发挥。为解决这一问题，可以将碳纳米管制备成碳纳米管宏观聚集体结构，再与其他材料复合成为复合材料。因此，在近几年中，以碳纳米管纤维、碳纳米管薄膜为代表的碳纳米管宏观聚集体材料得到了众多研究者的关注，制备高碳纳米管含量的高性能碳纳米管宏观聚集体已经成为发展碳纳米管及其复合材料的一项关键技术。

目前而言，制备碳纳米管薄膜的方法有粉体抽滤法、阵列滚压法、化学气相沉积连续生长法、阵列拉膜法等。相较于其他方法，阵列拉膜法中使用的碳纳米管质量高，杂质含量低，表面缺陷少，且成膜均匀性好，制备的薄膜中催化剂含量低，碳纳米管排列致密，取向性高，因此该法更易制备出高性能的碳纳米管薄膜，目前文献报告的纯阵列碳纳米管薄膜的最高强度为2.0GPa(见参考文献[1]：Di J,Hu D,Chen H,et al.Ultrastrong,foldable,and highly conductive carbon nanotube film[J].AcsNano,2012,6(6):5457-5464.)。但目前阵列拉膜法(见参考文献[2]：Liu W,Zhang X,Xu G,et al.Producing superior composites by winding carbon nanotubes onto a mandrel under a poly(vinyl alcohol)spray[J].Carbon,2011,49(14):4786-4791.)普遍采用的是卷绕-喷纺的在线致密化技术，该技术在将单层碳纳米管薄层粘附在辊轴上后，使用喷笔在辊轴上方远离阵列一端向辊轴上的碳纳米管薄膜喷洒溶剂，该法存在气流扰动、薄膜收缩性有限等问题，因此，迫切的需要发展一种更为有效和可控的方法制备高取向、高密度、力学性能更为优异的碳纳米管薄膜。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的、可控性强的、操作简便的方法来制备高取向高强度的碳纳米管薄膜。

为了实现这一目的，本发明提供一种高取向高强度的阵列牵伸碳纳米管薄膜及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

第一步，准备可纺丝的碳纳米管阵列。

该可纺丝的碳纳米管阵列(简称阵列)可以由化学气相沉积法制备，碳纳米管在阵列中垂直于基底平面平行排布，碳纳米管的长度与壁数由生长条件决定，一般来说，阵列高度(即碳纳米管长度)为100μm～500μm，单壁、少壁(2～6个壁)及多壁(6壁以上)碳纳米管均可使用。

第二步，利用可纺丝的碳纳米管阵列，采用阵列拉膜法制备干纺的取向碳纳米管薄膜。该干纺的取向碳纳米管薄膜(简称薄膜)由几十至几百层从碳纳米管阵列中牵拉出的单层碳纳米管薄层堆叠而成，碳纳米管在薄膜面内二维取向分布，不沿厚度分布。

所述的阵列拉膜法具体为：由可纺丝性碳纳米管阵列边缘牵拉出厚度为几纳米至几十纳米的碳纳米管薄层；这层薄层被粘附卷绕在一个辊轴上，旋转辊轴，将多层碳纳米管薄层反复堆叠制备成碳纳米管薄膜；制备的碳纳米管薄膜厚度由卷绕圈数，即卷绕的单层碳纳米管薄层的层数控制。阵列拉膜法制备的碳纳米管薄膜由单壁碳纳米管、少壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或多种碳纳米管在范德华力的作用下连接缠结自组装而成，碳纳米管的种类以少壁碳纳米管为主，其壁数为3～6个壁，直径为4nm～7nm。

第三步，将干纺的取向碳纳米管薄膜转移到牵伸模板上，采用浸渍-蒸干的方法进行致密化处理，具体为：