CN103922311A - 一种高取向高致密化碳纳米管膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高取向高致密化碳纳米管膜及其制备方法，属于碳纳米管薄膜技术领域。本发明通过对无规取向的碳纳米管膜牵伸和加压密实，并且根据需要进行多次牵伸和加压密实的步骤，得到高取向碳纳米管膜，具有优异的力学性能，其中取向度可达9.2，体密度可达1.12g/cm³。经过两次牵伸和两次压实处理后的碳纳米管膜的断裂伸长率低于5%的情况下其拉伸强度达到652MPa；碳纳米管膜牵伸率可高达50%；可以制备数十厘米以上的较大尺寸的高取向高致密化碳纳米管膜。

Description

一种高取向高致密化碳纳米管膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管膜的制备方法，尤其涉及一种高取向高致密化碳纳米管膜及其制备方法。

背景技术

自1991年日本电镜专家Iijima在真空电弧蒸发的石墨电极中观察到碳纳米管(CNTs)以来，CNTs就因其独特的结构和优异的性能引起了世界范围内不同研究领域专家们的广泛兴趣。理论和实验结果均表明碳纳米管的拉伸强度和弹性模量分别高达200GPa和1TPa，同时碳纳米管具有优异电和热性能。碳纳米管潜在的应用领域包括太阳能电池、平板显示器、传感器、锂离子电池等。然而，碳纳米管为纳米材料，将其制备成宏观体才更具有实际应有价值。目前，碳纳米管宏观体包括碳纳米管阵列、碳纳米管纤维、碳纳米管丝带、碳纳米管膜等。碳纳米管膜是碳纳米管通过管间的范德华力相互缠结形成的自支撑膜状宏观体。但是，目前碳纳米管膜的性能远未达到预期水平，其主要原因为：碳纳米管膜中碳纳米管排列较疏松，碳纳米管在碳纳米管膜中的取向程度较差。因此，制备高取向高致密化碳纳米管膜是实现碳纳米管具体应用中一项关键技术。

目前，取向碳纳米管膜的制备方法有磁场抽滤法、滚压法、牵引法。磁场抽滤法是基于碳纳米管分散液，故在分散过程中需要对碳纳米管进行物理或者化学处理，这将显著降低碳纳米管的性能，该方法仅适用于长径比小的碳纳米管，得到的碳纳米管的取向度较差，性能偏低。滚压法和牵引法是基于碳纳米管阵列进行一定的处理，碳纳米管膜的尺寸受到阵列尺寸规格的限制并且阵列的生产效率较低、生产成本较高。因此，迫切需要一种高效低成本技术来制备大尺寸的高取向高致密化碳纳米管膜。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的、低成本的、操作简便的方法来制备高取向高致密化碳纳米管膜。所述高取向高致密化碳纳米管膜的制备方法包括如下步骤：

第一步，制备碳纳米管膜。

第二步，对碳纳米管膜进行牵伸，第一次牵伸率20%～40%。

第三步，对牵伸后的碳纳米管膜进行加压密实。

第四步，如果密实后碳纳米管膜满足性能要求，则结束；否则重复牵伸和密实1～3次，直至牵伸后碳纳米管膜的断裂伸长率不高于5%，或者满足取向度的要求；每次牵伸的牵伸率小于上一次牵伸的牵伸率。优选的，二次牵伸的牵伸率为5%～15%之间，具体取值根据碳纳米管膜的检测数据进行选取。

经过本发明制备方法所得到的碳纳米管膜，具有高取向高致密度，其中取向度可达9.2，体密度可达1.12g/cm³。

本发明的优点在于：

（1）本发明采用的碳纳米管膜由几十至几百层0.1μm的薄膜单元构成，碳纳米管在薄膜单元面内分布，是用于碳纳米管牵伸取向的理想材料。

（2）本发明提供的制备方法对碳纳米管膜进行多次牵伸、压实，可获得高牵伸率，碳纳米管膜牵伸率可高达50%。

（3）本发明制备的碳纳米管膜具有高取向度，由极化拉曼光谱测定的取向度（I_G///I_G⊥）可达到9.2。

（4）本发明制备的碳纳米管膜具有高致密度，碳纳米管膜密度达1.12g/cm³。

（5）本发明制备的高取向碳纳米管膜具有优异的力学性能，经过两次牵伸和两次压实处理后的碳纳米管膜的断裂伸长率低于5%的情况下其拉伸强度达到652MPa。

(6)本发明可以制备数十厘米以上的较大尺寸的高取向高致密化碳纳米管膜。

附图说明

图1是本发明中未牵伸无规取向碳纳米管膜表面形貌；

图2是本发明中无规取向碳纳米管膜进行30%牵伸后碳纳米管膜的表面形貌；

图3是本发明中无规取向碳纳米管膜经过30%牵伸并压实处理后的碳纳米管膜表面形貌；

图4是本发明中无规取向碳纳米管膜经过三个拉伸-压实循环处理后的碳纳米管膜的拉伸应力-应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。

本发明提供一种高取向高致密化碳纳米管膜及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

第一步，制备无规取向的碳纳米管膜。

所述碳纳米管膜采用气相沉积法进行制备，碳纳米管膜由几十至几百层0.1μm的薄膜单元构成，所述薄膜单元内碳纳米管交叉堆积，呈无规状态分布。

气相沉积法制备碳纳米管膜包括以下步骤：（1）在惰性气体（如氩气、氢气或两者混合物）的保护作用下，将碳源乙醇、噻吩与催化剂二茂铁混合体系注入高温管式炉中。（2）在高温管式炉的另一端采用缠绕装置收集形成的碳纳米管气凝胶，单层碳纳米管气凝胶薄膜厚度约为0.1μm，采用挥发性溶液喷洒于碳纳米管气凝胶，挥发性溶液挥发后形成碳纳米管膜，随着缠绕碳纳米管气凝胶厚度变化，最终碳纳米管膜厚度几微米至几百微米。这种碳纳米管膜的生产方法更容易实现连续批量化生产，而且通过调整高温管式炉的直径以及缠绕装置可以控制碳纳米管膜的尺寸，因而更能够满足实际的应用。上述方法中可以通过调节缠绕的时间来控制碳纳米管膜的厚度，但不低于0.1μm。改变生长条件可以得到单壁碳纳米管、少壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或多种，碳纳米管通过范德华力相互缠结形成自支撑碳纳米管膜。碳纳米管与碳纳米管膜几乎同时形成，因此碳纳米管的优异性能损耗较小。

第二步，对碳纳米管膜进行牵伸，牵伸率20%～40%。

气相沉积法制备碳纳米管膜中，碳纳米管随机取向。本发明采取机械牵伸这一简便方法提高碳纳米管膜的取向度。为保证牵伸过程正常进行，夹头间碳纳米管膜的长度与宽度比不低于3。牵伸速度0.1～0.5mm/min。牵伸过程中，碳纳米管沿牵伸方向择优取向，碳纳米管膜的宽度明显降低，厚度增大，碳纳米管与碳纳米管间作用力减弱。

第三步，加压密实牵伸后的碳纳米管膜。

为得到高取向度碳纳米管膜，增加碳纳米管间作用力，对牵伸后的碳纳米管膜主要采用物理密实方法进行压实，提高碳纳米管膜的密度，同时，亦可采用化学密实方法。

所述物理密实方法包括以下步骤：

（a）为防止密实过程中破坏碳纳米管膜结构，同时保证碳纳米管膜完整地从压实模具上取出，在碳纳米管膜与密实用平板模具中间放置一层隔离膜，如聚四氟乙烯膜。

（b）将碳纳米管膜夹在两个平整的平板模具中，该平板模具由刚性材料制备，如碳钢。

（c）将放好碳纳米管膜的平板模具置于加压装置中均匀加压，压力0.5～3.0MPa，加压时间不低于10分钟，卸掉压力并将碳纳米管膜从平板模具中取出。所述加压装置选择压机等。

所述化学密实方法具体为：将牵伸后的碳纳米管膜浸入丙酮、乙醇或苯等溶剂中，浸润10～30分钟，将碳纳米管膜取出，放于真空烘箱内，加热至50～80℃促进溶剂挥发，由于液体表面张力作用，溶剂挥发同时，碳纳米管膜逐渐密实。

为得到高取向高致密化的碳纳米管膜，进行多次牵伸与加压密实处理过程1～3个循环，直至碳纳米管膜厚度维持不变。每次牵伸过程中碳纳米管膜长度与宽度比不低于3，牵伸速度0.1～0.5mm/min；物理加压密实压力0.5～3.0MPa，加压时间不低于10分钟。经多次牵伸与加压密实处理后，碳纳米管膜伸长率可达到30%～50%，得到高取向高致密化碳纳米管膜，利用极化拉曼光谱表征，平行与垂直于碳纳米管膜牵伸方向G峰的比值I_G///I_G⊥由牵伸前的1.1可增加至牵伸后的9.2。所述的多次牵伸过程中，每次牵伸的牵伸率低于上一次牵伸的牵伸率。二次牵伸的牵伸率优选为5%～15%之间。

本发明制备的碳纳米管膜具有优异的力学性能、导热性能和导电性能，在结构材料、电子器件导热和电磁屏蔽等领域具有非常广阔的应用前景。

实施例1

应用本发明提供的制备方法，通过一次牵伸制备牵伸率30%断裂伸长率低于5%的高取向碳纳米管膜，具体步骤如下：

第一步，碳纳米管膜的制备；

在惰性气体的保护作用下，将乙醇、二茂铁和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300℃的高温管式炉中。惰性气体为氩气与氢气（体积比为1:1）的混合物，其流量为4000sccm。在高温管式炉的另一端形成连续的碳纳米管气凝胶，通过缠绕装置收集碳纳米管气凝胶，气凝胶单层厚度约0.1μm，同时用乙醇与水的混合液喷洒碳纳米管气凝胶得到碳纳米管膜。收集30分钟得到长25cm、宽20cm和厚10μm的碳纳米管膜，其体密度为0.47g/cm³。此碳纳米管膜的拉伸强度为185MPa。如图1所示，制备得到的碳纳米管膜中，碳纳米管在膜面内二维无规分布，不沿厚度分布，碳纳米管膜孔隙尺寸为几十个纳米至上百个纳米。

第二步，碳纳米管膜的牵伸；

利用手术刀从上述得到的碳纳米管膜上切取长35mm、宽1mm的碳纳米管膜的长方形样条。用Instron3344力学试验机夹持碳纳米管膜样条并进行30%的牵伸，夹头两端距离为20mm，牵伸速率为0.5mm/min。图2显示，经过30%牵伸后碳纳米管膜在牵伸方向表现出较高的碳纳米管取向，取向度通常采用极化拉曼光谱表征，平行与垂直于碳纳米管牵伸方向G峰的比值I_G///I_G⊥越大取向度越大，牵伸前后I_G///I_G⊥从1.1增加至5.5。

第三步，取向碳纳米管膜的密实；

将牵伸后的碳纳米管膜浸入丙酮溶剂中，浸润30分钟，将碳纳米管膜取出，放于真空烘箱内，加热至50℃促进溶剂挥发，由于液体表面张力作用，溶剂挥发同时，碳纳米管膜逐渐密实，其体密度增加至0.68g/cm³。如图3所示，密实处理后的碳纳米管膜孔隙尺寸减小到几个纳米至十几个纳米。此时的碳纳米管膜的断裂伸长率为4.6%，拉伸最大应力为420MPa。

实施例2

应用本发明提供的制备方法，通过两次牵伸制备牵伸率40%、断裂伸长率低于5%的高取向碳纳米管膜，具体步骤如下：

第一步，碳纳米管膜的制备；

在惰性气体的保护作用下，将乙醇、二茂铁和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300℃的高温管式炉中。惰性气体为氩气与氢气（体积比为1:1）的混合物，其流量为4000sccm。在高温管式炉的另一端形成连续的碳纳米管气凝胶，通过缠绕装置收集碳纳米管气凝胶，同时用乙醇与水的混合液喷洒碳纳米管气凝胶得到碳纳米管膜。收集45分钟得到长25cm、宽20cm和厚15μm的碳纳米管膜。与实施例1对比，该膜厚度更大，具有更好的可牵伸性，其体密度为0.48g/cm³。此碳纳米管膜的拉伸强度为195MPa。

第二步，碳纳米管膜的牵伸；

利用手术刀从上述得到的碳纳米管膜上切取长10cm、宽2cm的碳纳米管膜的长方形样条。用Instron3344力学试验机夹持碳纳米管膜样条并进行30%的牵伸，试验机夹头两端距离为8cm，牵伸速率为0.5mm/min。

第三步，碳纳米管膜的密实；

将牵伸后的碳纳米管膜夹在两片厚度为1mm、边长为15cm的正方形钢模具中，为了易于将碳纳米管膜从钢模具中分离下来，在碳纳米管膜与钢模具之间均铺一层厚度为30微米、边长为15cm的聚四氟乙烯薄膜。将夹有碳纳米管膜样品的模具置于热压机中，在室温下施加2MPa的压力并保持10分钟。此时的碳纳米管膜的断裂伸长率为13.5%，拉伸强度为430MPa。

第四步，碳纳米管膜的二次牵伸；

将上述第三步密实后的碳纳米管膜样品，再次采用Instron3344力学试验机夹持碳纳米管膜长条并进行10%的牵伸，牵伸速率为0.2mm/min。

第五步，碳纳米管膜的二次压实；

将二次牵伸后的碳纳米管膜夹在两片厚度为1mm、边长为15cm的正方形钢模具中，为了易于将碳纳米管从钢片中分离下来，在碳纳米管膜与钢片之间均铺一层厚度为30微米、边长为15cm的聚四氟乙烯薄膜。将夹有碳纳米管膜样品的模具置于热压机中，在室温下施加2MPa的压力并保持10分钟。

经过第二次牵伸与压实，I_G///I_G⊥增加至8.5，体密度增加至0.98g/cm³。碳纳米管膜的断裂伸长率为4.5%，承受的最大拉伸应力为598MPa。

实施例3

应用本发明提供的制备方法，通过三次牵伸制备牵伸率50%、断裂伸长率低于5%的高取向碳纳米管膜，具体步骤如下：

第一步，碳纳米管膜的制备；

在惰性气体的保护作用下，将乙醇、二茂铁和噻吩的混合液以0.14ml/min的速度注入到1300℃的高温管式炉中。惰性气体为流量为4000sccm。在高温管式炉的另一端形成连续的碳纳米管气凝胶，通过缠绕装置收集碳纳米管气凝胶，同时用乙醇与水的混合液喷洒碳纳米管气凝胶得到碳纳米管膜。收集1小时得到长25cm、宽20cm和厚20μm的碳纳米管膜。其体密度为0.49g/cm³。

第二步，碳纳米管膜的牵伸；

利用手术刀从上述得到的碳纳米管膜上切取长12cm、宽2cm的碳纳米管膜的长方形样条。用Instron3344力学试验机夹持碳纳米管膜样条并进行35%的牵伸，试验机夹头两端距离为10cm，牵伸速率为0.2mm/min。

第三步，碳纳米管膜的密实；

将牵伸后的碳纳米管膜夹在两片厚度为1mm、边长为15cm的正方形钢模具中，在碳纳米管膜与钢模具之间均铺一层厚度为30微米、边长为15cm的聚四氟乙烯薄膜。将夹有碳纳米管膜样品的模具置于热压机中，在室温下施加1MPa的压力并保持10分钟。此时的碳纳米管膜的断裂伸长率为15.6%。

第四步，碳纳米管膜的二次牵伸；

将上述第三步密实后的碳纳米管膜样品，再次采用Instron3344力学试验机夹持碳纳米管膜长条并进行10%的牵伸，牵伸速率为0.2mm/min。

第五步，碳纳米管膜的二次压实；

将二次牵伸后的碳纳米管膜夹在两片厚度为1mm、边长为15cm的正方形钢模具中，在碳纳米管膜与钢片之间均铺一层厚度为30微米、边长为15cm的聚四氟乙烯薄膜。将夹有碳纳米管膜样品的模具置于热压机中，在室温下施加1.5MPa的压力并保持10分钟。此时的碳纳米管膜的断裂伸长率为7.9%。

第六步，碳纳米管膜的第三次牵伸；

将上述第五步密实后的碳纳米管膜样品，再次采用Instron3344力学试验机夹持碳纳米管膜长条并进行5%的牵伸，牵伸速率为0.1mm/min。

第七步，碳纳米管膜的第三次压实；

将第三次牵伸后的碳纳米管膜夹在两片厚度为1mm、边长为15cm的正方形钢模具中，在碳纳米管膜与钢片之间均铺一层厚度为30微米、边长为15cm的聚四氟乙烯薄膜。将夹有碳纳米管膜样品的模具置于压机中，在室温下施加1.5MPa的压力并保持10分钟。经过三次牵伸与压实，I_G///I_G⊥增加至9.2，体密度增加至1.12g/cm³。如图4所示，三次牵伸后的碳纳米管膜的断裂伸长率为3.8%，承受的最大拉伸应力为652MPa。

实施例4

应用本发明提供的制备方法，通过一次牵伸制备牵伸率40%、取向度表征参量（I_G///I_G）大于8的碳纳米管膜，具体步骤如下：

第一步，碳纳米管膜的制备；

在惰性气体的保护作用下，将乙醇、二茂铁和噻吩的混合液以0.14ml/min的速度注入到1300℃的高温管式炉中。惰性气体为流量为4000sccm。在高温管式炉的另一端形成连续的碳纳米管气凝胶，通过缠绕装置收集碳纳米管气凝胶，同时用乙醇与水的混合液喷洒碳纳米管气凝胶得到碳纳米管膜。收集45分钟得到长25cm、宽20cm和厚15μm的碳纳米管膜。其体密度为0.49g/cm³。

第二步，碳纳米管膜的牵伸；

利用手术刀从上述得到的碳纳米管膜上切取长12cm、宽2cm的碳纳米管膜的长方形样条。用Instron3344力学试验机夹持碳纳米管膜样条并进行40%的牵伸，试验机夹头两端距离为10cm，牵伸速率为0.1mm/min。

第三步，碳纳米管膜的密实；

将牵伸后的碳纳米管膜夹在两片厚度为1mm、边长为15cm的正方形钢模具中，在碳纳米管膜与钢模具之间均铺一层厚度为30微米、边长为15cm的聚四氟乙烯薄膜。将夹有碳纳米管膜样品的模具置于热压机中，在室温下施加0.5MPa的压力并保持30分钟。牵伸后碳纳米管膜的断裂伸长率为4.1%。利用极化拉曼光谱表征，平行与垂直于碳纳米管膜牵伸方向G峰的比值I_G///I_G⊥牵伸后可达8.1，取向度满足要求。

实施例5

应用本发明提供的制备方法，通过两次牵伸制备牵伸率35%、取向度表征参量（I_G///I_G）大于7.5的碳纳米管膜，具体步骤如下：

第一步，碳纳米管膜的制备；

在惰性气体的保护作用下，将乙醇、二茂铁和噻吩的混合液以0.14ml/min的速度注入到1300℃的高温管式炉中。惰性气体为流量为4000sccm。在高温管式炉的另一端形成连续的碳纳米管气凝胶，通过缠绕装置收集碳纳米管气凝胶，同时用乙醇与水的混合液喷洒碳纳米管气凝胶得到碳纳米管膜。收集30分钟得到长25cm、宽20cm和厚10μm的碳纳米管膜。其体密度为0.47g/cm³。

第二步，碳纳米管膜的牵伸；

利用手术刀从上述得到的碳纳米管膜上切取长12cm、宽2cm的碳纳米管膜的长方形样条。用Instron3344力学试验机夹持碳纳米管膜样条并进行20%的牵伸，试验机夹头两端距离为10cm，牵伸速率为0.5mm/min。

第三步，将牵伸后的碳纳米管膜夹在两片厚度为1mm、边长为15cm的正方形钢模具中，在碳纳米管膜与钢模具之间均铺一层厚度为30微米、边长为15cm的聚四氟乙烯薄膜。将夹有碳纳米管膜样品的模具置于热压机中，在室温下施加3MPa的压力并保持20分钟。此时的碳纳米管膜的断裂伸长率为19.1%。

第四步，碳纳米管膜的二次牵伸；

将上述第三步密实后的碳纳米管膜样品，再次采用Instron3344力学试验机夹持碳纳米管膜长条并进行15%的牵伸，牵伸速率为0.2mm/min。

第五步，取向碳纳米管膜的密实；

将牵伸后的碳纳米管膜浸入丙酮溶剂中，浸润30分钟，将碳纳米管膜取出，放于真空烘箱内，加热至80℃促进溶剂挥发，由于液体表面张力作用，溶剂挥发同时，碳纳米管膜逐渐密实。通过上述实施例制备得到的碳纳米膜，具有高取向和高致密度，测试结果显示，此时的碳纳米管膜的断裂伸长率为3.7%，致密度为0.85g/cm³，取向度为7.9，满足需求。

通过上述方法制备得到的高取向高致密度碳纳米管膜，经过多次牵伸后，碳纳米管膜的断裂伸长率低于5%的情况下其拉伸强度高于420MPa，达到652MPa；碳纳米管膜的致密度为0.68～1.12/cm³，取向度为5.5～9.2。

Claims (7)

1.一种高取向高致密化碳纳米管膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，制备碳纳米管膜；

第二步，对碳纳米管膜进行牵伸，牵伸率为20%～40%；

第三步，对牵伸后的碳纳米管膜进行加压密实；所述的加压密实方法采用物理密实方法或化学密实方法；

第四步，如果密实后碳纳米管膜满足性能要求，则结束；否则重复牵伸和密实1～3次，直至牵伸后碳纳米管膜的断裂伸长率不高于5%，或者满足取向度的要求；每次牵伸的牵伸率小于上一次牵伸的牵伸率。

2.根据权利要求1所述的一种高取向高致密化碳纳米管膜的制备方法，其特征在于：二次牵伸的牵伸率为5%～15%。

3.根据权利要求1所述的一种高取向高致密化碳纳米管膜的制备方法，其特征在于：第一步中所述的碳纳米管膜采用气相沉积法进行制备，碳纳米管膜由几十至几百层0.1μm的薄膜单元构成，所述薄膜单元内碳纳米管交叉堆积，呈无规状态分布；气相沉积法碳纳米管膜的制备包括以下步骤：（1）在惰性气体的保护作用下，将碳源乙醇、噻吩与催化剂二茂铁混合体系注入高温管式炉中；（2）在高温管式炉的另一端采用缠绕装置收集形成的碳纳米管气凝胶，单层碳纳米管气凝胶薄膜厚度为0.1μm，采用挥发性溶液喷洒于碳纳米管气凝胶，挥发性溶液挥发后形成碳纳米管膜，随着缠绕碳纳米管气凝胶厚度变化，最终碳纳米管膜厚度几微米至几百微米。

4.根据权利要求1所述的一种高取向高致密化碳纳米管膜的制备方法，其特征在于：第二步中，牵伸所用碳纳米管膜的长度与宽度比不低于3；牵伸速度0.1～0.5mm/min。

5.根据权利要求1所述的一种高取向高致密化碳纳米管膜的制备方法，其特征在于：所述物理密实方法包括以下步骤：

（a）在碳纳米管膜与密实用平板模具中间放置一层隔离膜；

（b）将碳纳米管膜夹在两个平整的平板模具中，该平板模具由刚性材料制备；

（c）将放好碳纳米管膜的平板模具置于加压装置中均匀加压，压力0.5～3.0MPa，加压时间不低于10分钟，卸掉压力并将碳纳米管膜从平板模具中取出。

6.根据权利要求1所述的一种高取向高致密化碳纳米管膜的制备方法，其特征在于：所述化学密实方法具体为：将牵伸后的碳纳米管膜浸入丙酮、乙醇或苯溶剂中，浸润10～30分钟，将碳纳米管膜取出，放于真空烘箱内，加热至50～80℃促进溶剂挥发，溶剂挥发同时，碳纳米管膜逐渐密实。

7.一种高取向高致密化碳纳米管膜，其特征在于：采用权利要求1中所述的制备方法制备得到的碳纳米膜，具有高取向和高致密度，取向度为5.5～9.2之间，致密度为0.68～1.12g/cm³。