[发明专利]一种碳纳米纤维纸及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米材料技术领域，尤其涉及一种碳纳米纤维纸及其制备方法。

背景技术

CNTs又称巴基管，属于一种具有特殊结构(径向尺寸为2-20nm级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口)的一维量子材料，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。CNTs按石墨烯片层数可分为单壁CNTs和多壁CNTs。碳纳米管的制备方法主要有三种：1，电弧放电法，可以在石墨材料中加入催化剂填充物，通过电弧放电的方法，反应区温度可达3000-4000°，以此制备碳纳米管；2，激光蒸发法，在惰性气体保护条件下，利用激光的高能量使石墨蒸发从而制备碳纳米管；3，化学气相沉积法，一般都称CVD法，该方法材料来源广泛，条件比较宽松，适合规模化生产。

碳纳米管拥有极高的长径比结构，具有良好的导电性，力学性能优异，比表面积大，拥有较大的应用前景：专利举例.例如，1997年Nature杂志报道了碳纳米管作储氢材料的研究，美国专利US2005118091及中国专利CN1398782日本专利JP2001146408都公开了碳纳米管储氢的不同方法；2012年，J.Power Sources杂志报导了将4nm厚的MnO2包覆于实心碳纳米纤维，配合硫酸钠电解质制成了高性能超级电容器；2010年，Nature杂志报导了利用碳纳米管作锂电池阳极将电化学电容和法拉第反应电池结合，获得了高性能的锂电池，中国专利CN101346834公开一种碳纳米管表面包裹纳米级硅颗粒用于锂电池负极；中国专利CN1538543A公开了一种铜修饰碳纳米管用于锂离子电池负极；中国专利CN1161182C公开了一种碳纳米管负载铂催化剂应用于燃料电池的方法；2012年Composites杂志报道了利用碳纳米纤维制成复合纸用于防雷击；中国专利CN1564296A利用粉末冶金工艺制备碳纳米管场发射冷阴极。总而言之，碳纳米纤维在储氢材料、高性能锂电池、超级电容器、燃料电池电极、电磁屏蔽材料、场发射材料上有良好的应用前景。

碳纳米管的优良性能多表现在微观领域，而一旦扩大到宏观领域，将会使碳纳米管的材料优势产生很大的影响，分散的碳纳米管也很难实现实际的应用。较好解决办法是通过一定的技术手段将碳纳米管制备成有效的宏观材料，同时不失碳纳米管的微观性能。碳纳米纤维纸是可应用性相对较多的一种材料，其制备技术多种多样：基底直接成膜，溶液过滤成膜，丝网印刷成膜，层层组装成膜，电泳法成膜。由于碳纳米管的纳米级尺寸以及特殊的长径结构，其分散十分困难，而且由于碳纳米管的长度范围广泛，在其实际使用中会遇到很多不同情况，如较短长度的碳纳米管对过滤膜的要求相对更高一些。因此碳纳米纤维纸的制备目前一直无法实现大规模生产。同类材料中的碳纤维制备膜材目前已经有规模化的生产，但是其膜材的厚度相对较大，最小的都要几百微米。与之相比，碳纳米纤维纸厚度小并且导电性远远超出碳纤维膜。此外，中国专利CN103015256A公开了一种制备碳纳米纤维纸的方法，但是需要对碳纳米纤维进行预先表面修饰，引入官能团。这样一方面增加成本，另一方面碳纳米分子容易产生极化，使导电性受影响，从而降低碳纳米纤维的性能。目前国内以及国际上都没有合适的批量制备碳纳米纤维纸而不用进行表面预处理的方法。如何做到低成本情况下实现碳纳米纤维纸的规模化生产是长时间以来的一个难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低、工序少、纯度高、方便转移并且适宜大规模生产的碳纳米纤维纸及其制备方法；碳纳米纤维之间相互交联，彼此缠结，结构相对疏松，因此碳纳米纤维纸比表面积大、导电性好。

为解决上述技术问题，本发明提供一种碳纳米纤维纸，由碳纳米纤维之间依靠分子范德华力以及碳纳米纤维之间的交联作用相结合而成，所述碳纳米纤维包括多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、实心碳纳米纤维或活性炭纤维中的一种或几种。

所述碳纳米纤维纸中添加有粘结剂，所述粘结剂选自丁二烯与苯乙烯的聚合物(SBR)、丙烯晴多元共聚物(LA133)、醋酸乙烯树脂、丙烯酸树脂、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、氯化橡胶的一种。

一种所述碳纳米纤维纸的制备方法，包括分散、均化、过滤、烘烤、压片工序，具体包括：

A、分散：将所述碳纳米纤维以一定的浓度在醇类溶剂中进行超声分散，所述一定的浓度为碳纳米纤维质量(mg)与醇类溶剂体积(ml)的比例为0.01mg/ml-0.5mg/ml；