[发明专利]一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备装置和制备方法

说明书

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备装置和制备方法。其中，制备装置包括反应室和收集室，收集室设置有用于收集碳纳米管聚集体的传送带、能够使高分子基体对传送带上形成的碳纳米管薄膜的表面进行浸润的浸润部件以及施压部件，高分子基体通过浸润部件对碳纳米管薄膜的表面进行浸润，同时施压部件对碳纳米管薄膜表面施压以使碳纳米管薄膜与高分子基体结合而形成致密的碳纳米管薄膜复合材料；收集室还设置有用于使碳纳米管薄膜复合材料固化成型的加热装置。本发明解决了高分子基体在碳纳米管薄膜网络结构中的浸润及渗透难题，并简化了装置和生产步骤,最终制备的碳纳米管薄膜复合材料的综合性能得到显著提高。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备装置和制备方法。

背景技术

碳纳米管（CNT），自1991年在高分辨率电镜下发现以来，便引起了全世界的广泛关注和极大的研究兴趣。作为一种新型的纳米材料，由于其独特的几何结构与电子能带结构带来了诸多优异的性能如强度高、比表面大、热传导率高、载流子迁移率高等，这些优异的性能使得碳纳米管在众多领域存在着巨大的应用前景和潜力。

碳纳米管薄膜是实现碳纳米管广泛应用的一种重要的宏观题形态，由大量碳纳米管互相缠绕连接形成的厚度介于几纳米至微米毫米尺度几十纳米的宏观薄膜材料，在电子、能源、智能传感、复合材料、航空航天等重要领域的应用研究已取得一定进展。另一方面，鉴于当前对于材料性能要求的不断提高，需要在一种新材料中赋予和兼备两种以上原有单一传统材料所不具备的优势性能，复合材料便应运而生。

对于碳纳米管薄膜复合材料而言，其包括高分子基体和碳纳米管，该碳纳米管以碳纳米管薄膜结构的形式设置于高分子基体中。目前制备这种碳纳米管薄膜复合材料的方法通常有两种：第一种方法是将碳纳米管粉体制备碳纳米管/高分子基复合材料，分散过程中常用到强酸强碱或表面活性剂，在一定程度上会对原本完整的碳纳米管结构和长度造成破坏，且表面活性剂会残留在碳纳米管复合材料中难以去除，因此得到的碳纳米管复合材料的机械性能和柔韧性不理想。例如：中国发明专利申请（公开号CN103172049A）公开了一种官能化碳纳米管纸及其复合材料的制备方法，其技术方案是在-10~140℃下将碳纳米管加入发烟硫酸中插层 0.1~96h，然后在温度为-10~60℃、搅拌条件下经硝酸氧化处理0.1h~480h后，用离心分离或纳米滤膜过滤，经去离子水洗涤至中性，即得官能化碳纳米管；将官能化碳纳米管自由分散于溶剂中，经抽滤即得官能化碳纳米管纸；最后将热固性树脂和官能化碳纳米管纸通过树脂预浸工艺、预浸料热压成型工艺或粉末成型工艺来实现碳纳米管薄膜复合材料。该方法的缺陷是：（1）采用硫酸对碳纳米管进行预处理来实现分散，过程中对碳纳米管的结构会有一定程度的损伤；（2）制备后的碳纳米管纸或薄膜结构致密，与后续高分子基体（树脂）难以完全浸润，树脂多覆盖于碳纳米管纸或薄膜表面，得到的复合材料不能充分发挥碳纳米管网络结构和树脂的增强效果。第二种方法是将已制备好的的碳纳米管薄膜采用浸泡、喷涂等方式与高分子基体复合，形成碳纳米管复合材料预制体，再加压加热等方式处理该预制体使碳纳米管薄膜与高分子基体复合形成碳纳米管薄膜复合材料。例如中国发明专利（公开号CN101456277B）公开了一种碳纳米管复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：制备一自支撑的碳纳米管薄膜结构；提供一液态热固性高分子材料；将所述液态热固性高分子材料浸润所述碳纳米管薄膜结构；固化上述被液态热固性高分子材料浸润的碳纳米管薄膜结构，得到一碳纳米管复合材料。该方法的缺陷是：由于已成型的碳纳米管薄膜自身的致密化程度很高，网络空隙较少，而且高分子基体链段比较长，使得高分子基体不能很好地浸润到碳纳米管薄膜的内部结构中，从而导致复合材料的缺陷增多，从而降低了复合材料的性能。这些缺陷的存在，严重降低了复合材料的可靠性、电学性能、耐水性、耐气候性、耐化学性以及力学性能等。另外，上述两种制备方法涉及设备多，步骤繁琐，难以大规模工业化制备。

发明内容

针对现有技术存在上述技术问题，本发明的目的在于提供一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备装置和制备方法,以解决高分子基体在碳纳米管薄膜网络结构中的浸润及渗透难题，并简化了装置和生产步骤,节省了时间。