[发明专利]一种在金属丝上包裹碳纳米材料的制备方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及金属丝涂覆技术，特别涉及到一种在金属丝上包裹碳纳材料的制备方法及其装置。

背景技术

碳纳米管和石墨烯以其独特的晶体结构，使其具有载流子迁移率高、比表面积大、金属或半导体性、量子霍尔效应、机械强度和弹性高等性能，这些优异的性能使得其在各种领域有着广泛的应用，如场发射领域、传感器领域、电化学领域、燃料电池的催化剂。虽然碳纳米管和石墨烯的纳米结构性能突出，但作为涂层时仍面临者难加工、加工成本高和性能难保持等突出问题。尤其对金属丝进行包裹时，传统的喷涂工艺造成了大量的原材料损失，且生产效率低。为此，已有多个研究单位展开了在金属丝上包裹碳纳米管和石墨烯方面的研究。例如：2012年中国科学院上海硅酸盐研究所是以金属线或金属丝作为催化剂模板通过化学气相沉积法使碳源在所述金属线的外表面直接生成石墨烯覆层而形成的石墨烯/金属线或金属丝复合结构(公开号：CN102560415A)。这种方法需要在700℃以上高温下进行，石墨烯的催化生长对金属线的种类有要求，石墨烯层的厚度受生长机制影响也无法进行宽范围的调控。2012年济南大学研发出在金属丝载体上制备层层自组装石墨烯涂层固相微萃取纤维的方法，金属丝作为载体，对其表面进行化学镀银，再采用层层自组装的方法，以金纳米颗粒作为连接臂，将巯基功能化石墨烯逐层自组装到镀银金属丝上(公开号：CN102553553A)。这种方法需要用其它纳米粒子或有机分子进行连接，步骤复杂；且石墨烯层之间被隔开，弱化了层间作用力。清华大学研究组利用电化学沉积在金属线上沉积了石墨烯用于超级电容器电极(Chemical Communications,2013,49,291)。电化学沉积能耗大，所沉积的石墨烯非层状堆叠排列，粘附力差。此外，在制备碳纳米管和石墨烯纤维的同时，利用捻合方法可以把碳纳米管和石墨烯包裹在金属丝上(Nature communications,2014,4:1970；ACS Nano,2014,8,4571)。但这种方法制备工艺复杂，难以实现大长度和批量生产。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种在金属丝上包裹碳纳米材料的新方法，该方法依据毛细原理，外加蒸发干燥，所制备的碳纳米材料包裹的金属丝在电磁屏蔽、导电电缆、柔性电子器件、智能纺织品、太阳能器件、储能电池、线型超级电容器等领域有着广泛的应用前景。

本发明是通过下述技术方案实现的：把金属丝表面清洗干净；把单根金属丝绕在轴线上或者把2根及以上金属丝整齐排列好并捆绑在一起；把整齐排列或绕好的金属丝浸渍到含有碳纳米材料的混合物悬浮液中；通过蒸发干燥；重复上述操作；将捆绑在一起的金属丝分开或解开轴线上的金属丝即可得到碳纳米材料包裹的金属丝。

所用的金属丝为常温固态单质金属丝或合金金属丝，用于制备碳纳米材料包裹的金属丝包含金丝、银丝、铜丝、铁丝、镍丝、钴丝、铝丝、锌丝、镁丝、钛丝、铋丝、铬丝、锰丝、钽丝、钨丝、钼丝、铂丝、铑丝、钌丝、钯丝、铼丝或铱丝或它们的合金丝。

用于制备金属丝的碳纳米材料包括单壁碳纳米管、少壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯或石墨纳米片或它们的混合物。

所用的悬浮液包括碳纳米材料，溶剂，分散剂和粘结剂。其中，溶剂包括水、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、甲醚、乙醚、甲乙醚、丙酮、丁酮、甲乙酮、氯仿、四氯化碳、苯、甲苯、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙酸、甲酸甲酯及其混合物；分散剂包括：十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯基吡咯烷酮、span 80、Triton X-100；粘结剂剂包括：纤维素，壳聚糖、Nafion，环氧树脂，酚醛树脂，聚氨基酸甲酯。

将金属丝先后浸渍到含不同碳纳米材料悬浮液中，通过浸渍、干燥后再金属丝分开即可得到不同碳纳米材料包裹的金属丝。

本发明还提供了一种在金属丝上包裹碳纳米材料的装置，该装置包括：不锈钢金属棒(1)，不锈钢圆盘(2)，载物平台(3)，腔体(4)，电机(5)，导线(6)，轴(10)，包括速度显示屏(8)和速度控制按钮(9)的速度控制系统(7)；不锈钢棒(1)垂直固定在不锈钢圆盘(2)上，不锈钢圆盘(2)的轴(10)与电机(5)连接，速度控制系统(7)通过导线(6)与电机(5)相连，不锈钢圆盘(2)的轴(10)垂直于腔体(4)并可沿腔体(4)轴向移动，载物平台(3)与腔体(4)垂直，含碳纳米材料的悬浮液放置在载物平台(3)上。

有益效果：