[发明专利]一种纳米复合碳纸及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米碳材料制备领域，具体涉及一种纳米复合碳纸及其制备方法。

背景技术

纳米碳纸是由无序碳纳米管构成的无纺布形态，是碳纳米管最简单的宏观材料形态，具有轻质、柔性、导电、导热及巨大比表面积的特点，同时结合了碳纳米管自身优异的功能特性，在电极材料、环境材料、过滤材料、催化载体、电子材料等领域具有重要的应用前景，是继传统碳纤维纸、石墨纸之后新型碳纸产品。

然而，在碳纳米管纸中，碳纳米管之间由范德华力作用相互缠结，碳纳米管之间的作用力非常弱，二者管与管之间的接触电阻和接触热阻大，致使碳纳米管本身优异的力学性能和导电导热性能没有很好的体现出来，致使碳纳米管纸的力学强度较差。现有技术中有在碳纳米管碳纸中添加石墨烯或氧化石墨烯来增加碳纸的强度，但是，石墨烯表面呈惰性，使其与基体材料碳纳米管的结合强度不佳，而氧化石墨烯表面大量的化学反应活性点，易与基体碳纳米管复合形成良好的界面，然而，氧化石墨烯的晶格结构在氧化过程中已被破坏，丧失了石墨烯的许多优异特性，致使复合碳纸的强度不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米复合碳纸及其制备方法，用以解决现有技术中的复合碳纸力学性能差的问题。

本发明提供了一种纳米复合碳纸，所述纳米复合碳纸由无序排列的碳纳米管作为骨架，由部分氧化的石墨烯填充在所述碳纳米管骨架中作为增强相，所述纳米复合碳纸的厚度为1μm-5mm，碳纳米管和石墨烯的质量比为(10-1):1。

进一步的，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或几种的混合物。

本发明的另一方面提供一种纳米复合碳纸的制备方法，包括如下步骤：

(1)将石墨烯、强碱、水按一定质量比混合，超声分散1-2h后，置于微波炉中微波反应0.5～2小时，然后多次冲洗、干燥后得到初级产物，将初级产物与强氧化剂、水按质量比混合，在50～220℃的反应釜中反应0.5～2小时，取出产物，多次水洗、干燥，得到部分氧化石墨烯；

其中，石墨烯、强碱、水的质量比为1：(5-20)：(20-100)，初级产物、强氧化剂、水质量比为1：(2-10)：(20-100)；

(2)将碳纳米管和步骤(1)所得部分氧化石墨烯分别与一定量的溶剂混合，得到碳纳米管分散液和石墨烯分散液，其中，碳纳米管的质量分数为5-20％，石墨烯的质量分数为1％-5％；

(3)将步骤(2)所得碳纳米管分散液和石墨烯分散液混合，超声波分散后得到混合分散液，其中，碳纳米管分散液和石墨烯分散液的质量比为(5-1):1；

(4)将步骤(3)所得混合分散液置于带电极的容器中，通过外电场供电10-120min，随后在外电场供电的情况下干燥，得到高强度复合碳纸。

进一步的，所述碳纳米管或石墨烯的溶剂为水、乙醇、异丙醇中的一种或几种的混合物。

进一步的，所述超声波分散的时间为1-2h。

进一步的，所述外电场为交变电场，频率为50～500Hz，强度为100～3000V/m。

进一步的，所述步骤(4)还包括将复合碳纸与容器剥离。

采用上述本发明技术方案的有益效果是：

本发明利用碳纳米管作为复合碳纸的骨架，骨架中引入部分氧化石墨烯，该石墨烯表面含有少量含氧基团，与碳纳米管结合形成良好的界面，同时，该石墨烯氧化程度低，保留了较完整的石墨晶体机构，保留了石墨烯的优异的力学性能，提高了复合碳纸的强度；此外，本发明中，通过增加外电场，为石墨烯取向，得到取向度极高石墨烯增强的的纳米复合碳纸，进一步提高了碳纸的力学性能。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明提供了一种纳米复合碳纸，所述纳米复合碳纸由无序排列的碳纳米管作为骨架，由部分氧化的石墨烯填充在所述碳纳米管骨架中作为增强相，所述纳米复合碳纸的厚度为1μm-5mm，碳纳米管和石墨烯的质量比为(10-1):1。

具体的，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或几种的混合物。

实施例1

纳米复合碳纸的制备方法，包括如下步骤：