CN103030133A - 碳纳米管纸及其制备方法 - Google Patents
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本发明提供了一种碳纳米管纸及其制备方法，本发明的碳纳米管纸是将碳纳米管混合到活性剂中通过超声震荡并搅拌先得到碳纳米管的悬浮液，然后将悬浮液通过洗涤及磁性过滤器过滤，最后经持续加热而得到的一种碳纳米管结构和形状无损且排列紧密的碳纳米管纸。本发明的碳纳米管纸具有结构完整，排列均匀紧密，导电率高、机械强度好等特点，且其形状、尺寸及厚度可通过控制原料配比加以控制，从而制出符合需要的不同碳纳米管纸。本发明的碳纳米管纸可用作超级电容器、锂离子电极的阳极材料、纳滤膜、传感器及电化学合成中的电极材料，具有良好的应用前景。
Description
【技术领域】
本发明涉及碳纳米管纸及其制备方法，特别涉及一种碳纳米管结构及形状无损的碳纳米管纸及其制备方法。
【背景技术】
自1991年碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)问世以来，由于其独特的物理化学性质，已成为国内外研究的热点。碳纳米管因具有良好的力学性能、较快的电子转移速度而使其具有低阻抗，从而在高性能复合材料等领域中具有很好的应用前景。碳纳米管通过管与管间的范德华力缠绕在一起，构成纸状的碳纳米薄层，称为碳纳米管纸(也称为Bucky paper,BP，巴基纸）。由于碳纳米管纸是由相互纠缠的碳纳米管形成的碳纳米管层，为自支撑(Free-standing)结构，其与碳纳米管薄膜相比，碳纳米管纸具有非常优异的力学性能，同时也具有很好的电学性能，从而使得碳纳米管纸在制动器、传感器、电容器、电极、燃料电池和场发射显示器等领域有着广阔的应用前景。此外，碳纳米管纸还具有优异的电热性能和吸波性能，其巨大的比表面积使其成为很好的吸附过滤材料。虽然有关碳纳米管纸的更多应用领域尚在研究阶段，但其相对于碳纳米管薄膜及碳纳米纤维纸等其他碳纳米材料具有更大的优势及应用价值。目前碳纳米管纸的制备方法主要有抽滤法、旋涂法、滚压法和化学气相沉积法，但是这些制备方法中，碳纳米管需经过浓硝酸或浓硫酸的纯化，纯化过程会破坏碳纳米管的结构和形状。碳纳米管的结构和形状受损便会导致最终制得的碳纳米管纸性能下降，例如，电导性能下降，从而限制了碳纳米管纸的进一步广泛应用。
【发明内容】
本发明旨在解决上述问题，而提供一种碳纳米管形状及结构无损（不被破坏）的且排列均匀紧密、结构完整的碳纳米管纸。
本发明的目的还在于提供该碳纳米管纸的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种碳纳米管纸，其特征在于，该碳纳米管纸是由碳纳米管与活性剂含量为20%～50%（重量）的水溶液按质量/体积比为0.1g/L～1g/L的比例混合后形成碳纳米管悬浮液，碳纳米管悬浮液通过磁性过滤器过滤，得到滤饼，滤饼经有机溶剂的水溶液洗涤后通入惰性气体中经持续加热而形成碳纳米管纸形碳纳米管纸。
所述活性剂为Triton X-100、十六烷基三甲基溴化铵、吐温-80中的一种或几种的组合。
所述有机溶剂为乙醇、无水乙醇、异丙醇、甲苯、乙酰化丙酮、二甲基酰胺中一种或几种的组合。
所述惰性气体为氩气或氮气。
所述加热温度为150℃～550℃。
一种碳纳米管纸的制备方法，其特征在于，它包括如下步骤：
a、将所述比例的碳纳米管倒入含20%～50%（重量）活性剂的水溶液中，利用超声波震荡并搅拌0.5～5h，形成分散均匀的碳纳米管悬浮液。
b、将碳纳米管悬浮液通过磁性过滤器过滤，得到滤饼；
c、将滤饼用有机溶剂的水溶液洗涤，去除滤饼表面残留的活性剂；
d、将步骤（c）得到的滤饼通入到惰性气体中持续加热4～6h，最终得到碳纳米管形状及结构无损的碳纳米管纸。
其中，步骤（a）中，所述活性剂为Triton X-100、十六烷基三甲基溴化铵、吐温-80中的一种或几种的组合。
步骤（c）中，所述有机溶剂为乙醇、无水乙醇、异丙醇、甲苯、乙酰化丙酮、二甲基酰胺中一种或几种的组合。
步骤（d）中，所述惰性气体为氩气或氮气。
步骤（d）中，所述加热温度为150℃～550℃。
本发明的碳纳米管纸在制备过程中由于不需要经过强酸的纯化，从而不会破坏碳纳米管的形状及结构，保护了碳纳米管的原始结构，使得形成的碳纳米管纸性能优异。此外，本发明的碳纳米管纸在制备过程中还采用了磁性过滤器进行过滤，使得碳纳米管的排列更加均匀紧密，从而增强了碳纳米管纸的电导性能性能。本发明的碳纳米管纸结构完整、电导性能好，并具有制备工艺简单，对原料设备要求低，易于实施等特点。
【附图说明】
附图1是原生碳纳米管的结构扫描图。
附图2是本发明实施例1的碳纳米管纸的结构扫描图。
附图3是本发明实施例2的碳纳米管纸的结构扫描图。
附图4是本发明实施例3的碳纳米管纸的结构扫描图。
附图5是本发明实施例4的碳纳米管纸的结构扫描图。
【具体实施方式】
下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不构成任何限制。
实施例1
称取1g多壁碳纳米管，倒入1000ml的含有20%（重量）的TritonX-100（聚乙二醇辛基苯基醚，分子式为(C2H4O)nC14H22O）活性剂水溶液中，利用超声波震荡并搅拌1h，使碳纳米管分散均匀，形成碳纳米管悬浮液。将分散均匀的碳纳米管悬浮液通过磁性过滤器过滤，得到带有一定杂质的滤饼。将滤饼用乙醇溶液（含水的酒精）洗涤去除滤饼表面残留的活性剂，得到无杂质的滤饼。最后将无杂质的滤饼通入到充满氩气的烘箱中，在200℃高温下连续加热5小时，从而得到不含杂质的、碳纳米管结构和形状不被破坏的且排列均匀紧密的碳纳米管纸。
直接测试制得的碳纳米管纸，其厚度为500μm，方块电阻为15Ω/cm，远低于厚度为500μm碳纤维的方块电阻值35Ω/cm，即本发明的碳纳米管纸具有更高的电导率。
实施例2
称取0.1g单壁碳纳米管，倒入1000ml的含有30%（重量）的十六烷基三甲基溴化铵（结构式为C16H33(CH3)3NBr）活性剂水溶液中，利用超声波震荡并搅拌2h，使碳纳米管分散均匀，形成碳纳米管悬浮液。将分散均匀的碳纳米管悬浮液通过磁性过滤器过滤，得到带有一定杂质的滤饼。将滤饼用异丙醇（分子式为（CH3）2CHOH）的水溶液洗涤去除滤饼表面残留的活性剂，得到无杂质的滤饼。最后将无杂质的滤饼通入到充满氩气的烘箱中，在200℃高温下连续加热5小时，从而得到不含杂质的、碳纳米管结构和形状不被破坏的且排列均匀紧密的碳纳米管纸。
直接测试制得的碳纳米管纸，其厚度为200μm，方块电阻为13Ω/cm，远低于厚度为500μm碳纤维的方块电阻值35Ω/cm，即本发明的碳纳米管纸具有更高的电导率。
实施例3
称取0.5g多壁碳纳米管，倒入1000ml的含有40%（重量）的吐温-80（聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯，分子式为C12H10ClNO3）活性剂水溶液中，利用超声波震荡并搅拌3h，使碳纳米管分散均匀，形成碳纳米管悬浮液。将分散均匀的碳纳米管悬浮液通过磁性过滤器过滤，得到带有一定杂质的滤饼。将滤饼用乙酰化丙酮（结构式为CH3COCH2COCH3）的水溶液洗涤去除滤饼表面残留的活性剂，得到无杂质的滤饼。最后将无杂质的滤饼通入到充满氩气的烘箱中，在400℃高温下连续加热5小时，从而得到不含杂质的、碳纳米管结构和形状不被破坏的且排列均匀紧密的碳纳米管纸。
直接测试制得的碳纳米管纸，其厚度为60μm，方块电阻为12Ω/cm，远低于厚度为500μm碳纤维的方块电阻值35Ω/cm，即本发明的碳纳米管纸具有更高的电导率。
实施例4
称取0.3g双壁碳纳米管，倒入1000ml活性剂水溶液中，其中，该水溶液中含有50%（重量）的TritonX-100及十六烷基三甲基溴化铵。将上述溶液利用超声波震荡并搅拌4h，使碳纳米管分散均匀，形成碳纳米管悬浮液。将分散均匀的碳纳米管悬浮液通过磁性过滤器过滤，得到带有一定杂质的滤饼。将滤饼用二甲基乙酰胺（分子式为C4H9NO）的水溶液洗涤去除滤饼表面残留的活性剂，得到无杂质的滤饼。最后将无杂质的滤饼通入到充满氩气的烘箱中，在500℃高温下连续加热5小时，从而得到不含杂质的、碳纳米管结构和形状不被破坏的且排列均匀紧密的碳纳米管纸。
直接测试制得的碳纳米管纸，其厚度为50μm，方块电阻为11Ω/cm，远低于厚度为500μm碳纤维的方块电阻值35Ω/cm，即本发明的碳纳米管纸具有更高的电导率。
实施例5
称取1g多壁碳纳米管，倒入1000ml活性剂水溶液中，其中，该水溶液中含有25%（重量）的吐温-80及十六烷基三甲基溴化铵。将上述溶液利用超声波震荡并搅拌0.5h，使碳纳米管分散均匀，形成碳纳米管悬浮液。将分散均匀的碳纳米管悬浮液通过磁性过滤器过滤，得到带有一定杂质的滤饼。将滤饼用异丙醇和乙醇混合的水溶液洗涤去除滤饼表面残留的活性剂，得到无杂质的滤饼。最后将无杂质的滤饼通入到充满氮气的烘箱中，在150℃高温下连续加热4小时，从而得到不含杂质的、碳纳米管结构和形状不被破坏的且排列均匀紧密的碳纳米管纸。
直接测试制得的碳纳米管纸，其厚度为100μm，方块电阻为12.5Ω/cm，远低于厚度为500μm碳纤维的方块电阻值35Ω/cm，即本发明的碳纳米管纸具有更高的电导率。
实施例6
称取0.8g单壁碳纳米管，倒入1000ml活性剂水溶液中，其中，该水溶液中含有40%（重量）的TritonX-100及吐温-80。将上述溶液利用超声波震荡并搅拌5h，使碳纳米管分散均匀，形成碳纳米管悬浮液。将分散均匀的碳纳米管悬浮液通过磁性过滤器过滤，得到带有一定杂质的滤饼。将滤饼用甲苯（分子式为C7H8）和乙醇混合的水溶液洗涤去除滤饼表面残留的活性剂，得到无杂质的滤饼。最后将无杂质的滤饼通入到充满氮气的烘箱中，在550℃高温下连续加热6小时，从而得到不含杂质的、碳纳米管结构和形状不被破坏的且排列均匀紧密的碳纳米管纸。
直接测试制得的碳纳米管纸，其厚度为300μm，方块电阻为13.5Ω/cm，远低于厚度为500μm碳纤维的方块电阻值35Ω/cm，即本发明的碳纳米管纸具有更高的电导率。
尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但本发明的保护范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，对以上各构件所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种碳纳米管纸，其特征在于，该碳纳米管纸是由碳纳米管与活性剂含量为20%～50%（重量）的水溶液按质量/体积比为0.1g/L～1g/L的比例混合后形成碳纳米管悬浮液，碳纳米管悬浮液通过磁性过滤器过滤，得到滤饼，滤饼经有机溶剂的水溶液洗涤后通入惰性气体中经持续加热而形成碳纳米管纸形碳纳米管纸。
2.如权利要求1所述的碳纳米管纸，其特征在于，所述活性剂为Tr itonX-100、十六烷基三甲基溴化铵、吐温-80中的一种或几种的组合。
3.如权利要求1所述的碳纳米管纸，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇、无水乙醇、异丙醇、甲苯、乙酰化丙酮、二甲基酰胺中一种或几种的组合。
4.如权利要求1所述的碳纳米管纸，其特征在于，所述惰性气体为氩气或氮气。
5.如权利要求1所述的碳纳米管纸，其特征在于，所述加热温度为150℃～550℃。
6.如权利要求1所述的碳纳米管纸的制备方法，其特征在于，它包括如下步骤：
a、将所述比例的碳纳米管倒入含20%～50%（重量）活性剂的水溶液中，利用超声波震荡并搅拌0.5～5h，形成分散均匀的碳纳米管悬浮液。
b、将碳纳米管悬浮液通过磁性过滤器过滤，得到滤饼；
c、将滤饼用有机溶剂的水溶液洗涤，去除滤饼表面残留的活性剂；
d、将步骤（c）得到的滤饼通入到惰性气体中持续加热4～6h，最终得到碳纳米管形状及结构无损的碳纳米管纸。
7.如权利要求6所述的碳纳米管纸的制备方法，其特征在于，步骤（a）中，所述活性剂为Triton X-100、十六烷基三甲基溴化铵、吐温-80中的一种或几种的组合。
8.如权利要求6所述的碳纳米管纸的制备方法，其特征在于，步骤（c）中，所述有机溶剂为乙醇、无水乙醇、异丙醇、甲苯、乙酰化丙酮、二甲基酰胺中一种或几种的组合。
9.如权利要求6所述的碳纳米管纸的制备方法，其特征在于，步骤（d）中，所述惰性气体为氩气或氮气。
10.如权利要求6所述的碳纳米管纸的制备方法，其特征在于，步骤（d）中，所述加热温度为150℃～550℃。
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