[发明专利]一种采用桥接原理一步法制备发热碳纳米管膜的方法

说明书

本发明公开了一种采用桥接原理一步法制备发热碳纳米管膜的方法，包括以下步骤：S1、以50～150mg碳纳米管/100ml去离子水的比例，将碳纳米管和去离子水混合，加入表面活性剂，得到碳纳米管溶液；S2、将硝酸银的水溶液与所得碳纳米管溶液混合后超声分散，再进行磁力搅拌，在搅拌过程中加入水合肼溶液；S3、再次超声分散，真空抽滤，干燥，得到碳纳米管膜。本发明采用桥接原理，在碳纳米管膜的网络空间结构中无规沉积纳米银颗粒，纳米金属颗粒连接周围碳管，不仅增加了碳管径向导电、热传导通道数量，而且由于金属的高导电导热性能，提高了碳纳米管膜的导电和导热性能。

技术领域

本发明涉及碳纳米管膜领域，具体涉及一种采用桥接原理一步法制备发热碳纳米管膜的方法。

背景技术

碳材料优良的力学、导电、热辐射性能，使其不仅在航空航天的热防护材料中应用广泛；在民用、工业用电热体研究中逐渐得到关注。碳素材料制成的电热元件已成为新兴节能环保型电热器，与金属电热元件相比，其热匹配性好、热效率高、使用寿命长。自上世纪50年代国外已经开始进行以碳纤维为发热体的电热材料研究，国内尽管起步较晚，但已取得长足进展，目前碳纤维电热产品如碳纤维纸、碳膜、碳晶电热地板等已经得到广泛应用。作为下一代高科技材料，碳纳米管具有优异的电学、磁学和力学性能，应用前景巨大。

自1991年日本学者Lijima发现碳纳米管以来，世界上就掀起了碳纳米管的研究热潮。碳纳米管具有高长径比、高韧性和极强的导电、导热性能，电导率可达铜的10000倍，强度比钢高100倍，比重只有钢的1/6，场发射性能卓越，兼具金属性和半导体性，电热转化率达99.8％，还是理想的远红外集波物质。利用碳纳米管导电性能好、传热性能优越、远红外功能突出、机械强度大、韧性好等方面的突出优势，适合将其用于电热材料的制备。但碳纳米管之间存在较强的范德华力，易缠绕、团聚，作为增强和功能型填料在聚合物基体中分散困难，实际应用受限。1998年碳纳米管纸(buckypaper，BP)的问世，开启了碳纳米管研究的新纪元。碳纳米管纸也称碳纳米管膜，是由碳纳米管通过范德华力紧密聚集在一起形成的具有三维网络微孔结构的片状材料。碳纳米管膜兼具碳纳米管的电学、热学和磁学等物理化学性能，是一种具有碳纳米管属性的功能性面状电热材料。随着碳纳米管制备方法的日臻完善，其性价比优势日趋明显，但碳纳米管膜在民用领域的应用还不多见。

由于碳纳米管膜中碳管之间依靠范德华力无规缠结，造成其力学、导电、导热性能远低于碳纳米管。目前大多数碳纳米管膜报道的电导率通常在10～1000S/cm之间，远远低于单个碳纳米管的电导率(10000～30000S/cm之间)；碳纳米管膜的热导率相比于单根碳纳米管亦小得多。为了提高碳管的导电性能，研究人员采用对碳管进行酸化、活化、敏化处理，采用化学镀或电镀方法在碳管表面镀一层金属，取得了良好效果，但是工艺复杂，碳管的结构易受到破坏。专利CN201810032612.7提供了一种纳米银导电胶的制备方法，采用在碳纳米管表面键合纳米银颗粒的方法，即采用化学镀的方法。首先对碳纳米管进行酸化和活化，并采用超声处理，切断碳管长度，以利于与环氧树脂、微米级银进行溶液共混，得到碳管表面镀纳米银的复合结构，再进一步制备导电胶。此方法工艺复杂，破坏了碳管原有管壁结构，而且这种碳管表面镀银工艺得到的镀银碳管及其复合物，其导电主要沿碳管轴向。

碳发热材料的发热机制是在通电的情况下，碳分子产生原子、离子和电子，和碳分子团之间相互摩擦、碰撞(也称布朗运动)而产生热能，热能通过波长为5～14微米的远红外线方式辐射出来。由于石墨烯跟碳纳米管材料的超导性，其发热性能更稳定，电热转换效率可达到99.8％，相对于传统碳材料发热，具有单位面积功率大，能效高的特点，有效减少能源消耗。碳发热材料的传热机制，在于其的电能输入被有效转换成超过60％的传导热能和超过30％的红外辐射能。这种双重制热原理，使发热的能耗显著降低，使被加热物体升温更快，吸收的热能更充足。由于碳纳米管膜的结构特点，其中焦耳热的传递主要依靠沿碳管轴向的热传导及热辐射，碳管径向热阻较大，极大限制了热传递的高效进行，目前仅少量用于发热温度较低的电热地板。

发明内容