[发明专利]多官能化的碳纳米管

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米管和制造碳纳米管的方法。特别地，本发明涉及制造多官能化的碳纳米管的方法。

背景技术

轻质、高度紧凑且可以以低成本提供的便携式和可穿戴的电子设备可以使得多种新应用成为可能，例如类纸显示器、智能服装、可伸缩太阳能电池、照相机眼和生物医学传感器。这些类型的系统的应用需要柔性互连系统，其既高度导电又在机械上足够稳健以具有大的变形稳定性。此外，为了实现紧凑、成本有效的电子器件，还需要简单且可靠的方法以制造具有任意图案的这样的互连件。

已探究和研究了许多材料和技术来应对上述挑战。例如，由嵌入PDMS中的电镀弯曲金属线作为电路制成的导体对于高达60％应变的应变已表现出2500S cm^-1的最大电导率。然而，由于波形图案化结构和在大的应变下由金属疲劳引起的严重失效，其应用受到限制。作为薄金属层的替代物，已通过混合多种导电填料来制造复合膜(包括微米级银片、离子液体和CNT)。在这样的复合膜中获得了非常高的初始电导率。然而，当拉伸应变超过30％时，膜经受显著的电导率降低。此外，由于使用微米级银片，膜具有高的生产成本并且缺乏制作精细图案化结构的能力。

鉴于上述，需要具有超细结构的高度导电且柔性的互连件，其可以以简单且低成本的方式提供。

发明内容

鉴于现有技术的上述和其他缺点，本发明的目的是提供用于制造适合用作柔性互连件的经导电涂覆的碳纳米管的改进方法。

根据本发明的第一方面，提供了制造经涂覆的碳纳米管的方法，所述方法包括以下步骤：在包含硅烷聚合物的溶剂中使碳纳米管官能化；用SiO₂层涂覆碳纳米管；将金属催化剂颗粒沉积到碳纳米管的SiO₂层上；以及进行化学镀以在碳纳米管的SiO₂层上形成Ag涂层。

化学镀还可以被称为化学或自动催化电镀，意指在不使用电的情况下进行镀覆。

本发明基于这样的认识：可以使用CNT上的一系列表面改性来制备高性能的杂化纳米线，以实现完整的银涂层和形成均匀的分散体同时保护CNT的原始结构和特性。

根据上述方法制造的多官能化的CNT杂化纳米线(用不同的官能层进行改性用于可印刷、导电、柔性且可伸缩的互连应用)已被证明在多种极性溶剂中表现出优异的分散性、高的电导率和良好的柔性。通过直接图案化/印刷由多官能化的CNT杂化纳米线/聚二甲基硅氧烷(PDMS)制造的互连件在重复弯曲循环下表现出5217S cm^-1的最大电导率且对于高达40％的应变稳定在1000S cm^-1。Ag-MWCNT杂化纳米线的观察到的优异的电和机械性能表明这些材料在可穿戴柔性显示器、可伸缩能量发生器和电容器、电子皮肤、可变形传感器和致动器应用中的潜在用途。

形态学研究证明：由于CNT的固有柔性特性，Ag-MWCNT双层结构可以在大的变形下有效地构建电子路径以保证稳定的电和机械性能。重要地，Ag-MWCNT杂化纳米线能够分散在多种极性溶剂中并形成与许多现存的图案化/印刷技术相容的稳定的悬浮液。这些结果促进制造具有高性能的图案化柔性互连件的简单且成本有效的方法。

根据本发明的一个实施方案，使碳纳米管官能化的步骤有利地包括将碳纳米管分散在包含(3-氨基丙基)-三乙氧基硅烷(APTES)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的乙醇中。APTES为硅烷聚合物且PVP使得CNT在乙醇溶液中的亚稳态平衡成为可能。通常，在金属涂覆过程之前，应进行CNT的表面活化以获得均匀且稳定的分散体。这通常通过CNT的氧化预处理或通过表面活性剂辅助分离方法来实现。然而，这样的处理导致对CNT的严重结构损坏或导致差的电性能。此处，用(3-氨基丙基)-三乙氧基硅烷的可除去的聚合物层将CNT官能化(APTES-CNT)以辅助其分散在极性溶剂中而不对CNT造成任何结构损坏。在用APTES官能化后获得均匀的CNT乙醇溶液。此外，APTES-CNT悬浮液在制备后至少一个月的时间内表现出好的稳定性。在APTES-CNT的乙醇分散体中未检测到沉淀物，这表明APTES在CNT表面上的成功结合。

在本发明的一个实施方案中，使碳纳米管官能化的步骤还可以包括以下步骤：将CNT浸入包含SiO₂前体的溶剂中；以及在溶剂中提供碱性添加剂以形成碱性溶液，所述碱性溶液用于使硅烷聚合物交联使得硅烷聚合物附接到碳纳米管。碱性添加剂可以有利地为氨水，添加其使得碱性溶液达到8至12的pH值。