CN1314584C - 一种制备纳米碳微粒的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备纳米碳微粒的方法，属场发射器件的冷阴极制备技术领域。以化学气相沉积法或真空电弧法所制备的碳纳米管或碳纳米纤维为原料，先通过高能机械球磨处理，再将经球磨处理的原料超声清洗、滤网过滤、离心过滤，提高产品纳米碳微粒的颗粒均匀性，产品纳米碳微粒可用来配制制备高性能场发射冷阴极的丝网印刷浆料。该方法有工艺简单，易于实施，成本低，制备的产品颗粒均匀性好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备纳米碳微粒的方法，该方法的产品纳米碳微粒适于用来制备场发射器件的冷阴极，属场发射器件的冷阴极制备技术领域。
背景技术
冷阴极将成为新一代平面显示器、传感器、冷光源和真空微电子器件等的关键部件。目前正进行开发的是采用碳基薄膜作为电子发射体的冷阴极，该阴极的结构和制备过程要比传统的锥尖型冷阴极简单且成本低得多，碳基薄膜在发射电子时对采用该阴极的器件的真空度要求不高，从而大大降低了器件的制造成本。纳米结构的碳材料如碳纳米管(carbon nanotube-CNT)和碳纳米纤维(carbon nanofiber-CNF)是制造场发射器件中冷阴极的关键材料，此类材料不仅具有高的热稳定性和化学稳定性，还具有优异的场发射性能，如很低的电子发射阈场和很高的发射电流密度，是理想的场发射冷阴极材料。因此被认为是金属及硅锥尖型场发射阴极的最佳替代物，它不仅可以提高场发射平面显示性能，而且可望大大降低显示器的制造成本。这类纳米结构的碳材料通常采用真空电弧法或化学气相沉积法制备，所制备的碳纳米管或碳纳米纤维的长度分布范围很宽，介于几十纳米～几百微米。采用适合于制备大面积显示器件的薄膜工艺，即丝网印刷或压印工艺是此类器件产品化、市场化的必然途径。采用丝网印刷或压印工艺制备的冷阴极，由于碳纳米管或碳纳米纤维本身长短不一，有较长的碳纳米管或碳纳米纤维突出在冷阴极表面的缺点。这样的冷阴极工作时，在电场作用下，较长或较突出的碳纳米管或碳纳米纤维易于发射电子，这些碳纳米管或碳纳米纤维会因电流密度过大而被烧毁，使得冷阴极的场发射性能不稳定，场发射均匀性也难以得到保证。简言之，采用丝网印刷或压印制备场发射器件的冷阴极时，对印刷冷阴极的浆料中的碳微粒的颗粒均匀性有较高的要求，背景技术所用的浆料中的碳微粒的颗粒均匀性远未达到上述要求，使制备的冷阴极的场发射性能如均匀性、稳定性、重复性等都较差，严重地影响到场发射器件的性能和应用。
若采用定向生长的碳纳米管或碳纳米纤维作为场发射冷阴极，如专利(申请号02159948.3，公开号CN1417829A)所述，碳纳米管或碳纳米纤维生长长度的一致性较难控制，大面积生长难以实现，且因直立的碳纳米管或碳纳米纤维密度过大，电子发射时空间电荷限制效应明显，使采用该冷阴极的场发射器件的性能变差。
发明内容
针对上述技术中存在的问题，本发明的目的是推出一种制备纳米碳微粒的方法。该方法的优点是该方法能制备颗粒均匀的纳米碳微粒，这样的纳米碳微粒适于用来制备具有优越的性能的场发射冷阴极。该方法的产品纳米碳微粒可呈颗粒均匀的粉末状，特别适于用来配制碳基丝网印刷浆料，再用该浆料涂布碳基薄膜，作为场发射器件的冷阴极；该方法的产品纳米碳微粒也可呈存于丝网印刷浆料内的形式，这样，该丝网印刷浆料就是碳基丝网印刷浆料，可直接用于涂布碳基薄膜，作为场发射器件的冷阴极。
本发明为实现上述目的而采用的技术方案是，以真空电弧法或化学气相沉积法制备所得的碳纳米管、碳纳米纤维或两者按任何质量比例混和的混合粉料为原料，通过高能球磨将原料研磨成颗粒均匀的产品，碳纳米微粒，高能球磨为干磨或湿磨，干磨或湿磨对应的产品分别呈粉末状或浆状。
现详述本发明的技术方案。
一种制备纳米碳微粒的方法，其特征在于，具体操作步骤包括：
第一步 原料准备
用真空电弧法或化学气相沉积法所制备的碳纳米管、碳纳米纤维或两者按任何质量比例混和的混合粉体作为原料；
第二步 干法球磨
将原料与大、小磨球放入球磨机的磨罐中，大磨球∶小磨球∶原料的质量比为12～30∶25～50∶1，在磨罐内压力和球磨机转速分别为1个大气压和100～800转/分的条件下进行干法球磨，时间为0.5～4小时，自然降温至室温后，将经干法球磨处理的原料取出；
第三步 清洗、过滤、挥发
将经第二步干法球磨处理后的原料与易挥发的有机溶剂混和成滤液，前者与后者的质量比为1∶8～24，超声清洗2～6分钟，纱网过滤，滤去滤液中的大颗粒，挥发有机溶剂，得产品，纳米碳微粒。
本发明的技术方案的进一步特征在于，在第三步的“滤去滤液中的大颗粒”与“挥发有机溶剂”之间，***对滤液进行离心过滤的操作，时间为1～3分钟。
以上方法制备的纳米碳微粒，颗粒均匀性好，适于用来配制丝网印刷浆料。用这样的浆料可制备均匀性、稳定性、重复性优越的冷阴极。
一种制备纳米碳微粒的方法，其特征在于，具体操作步骤包括：
第一步 原料准备
用真空电弧法或化学气相沉积法所制备的碳纳米管、碳纳米纤维或两者按任何质量比例混和的混合粉体作为原料；
第二步 湿法球磨
将原料、丝网印刷浆料与大、小磨球放入球磨机的磨罐中，大磨球∶小磨球∶原料的质量比为12～30∶25～50∶1，原料与丝网印刷浆料的质量比为1∶5～10，在磨罐内压力和球磨机转速分别为1个大气压和100～800转/分的条件下进行湿法球磨，时间为0.5～4小时，自然降温至室温后，将经湿法球磨处理的原料与丝网印刷浆料的混合浆料取出；
第三步 清洗、过滤
将经第二步湿法球磨处理后的混合浆料经超声清洗，时间为2～6分钟，再经纱网过滤，滤去混合浆料中的大颗粒，得产品，纳米碳微粒，产品存于混合浆料中。
本发明的技术方案的进一步特征在于，在第三步的“滤去混合浆料中的大颗粒”和“得产品”之间，***对混合浆料进行离心过滤的操作，离心过滤的时间为10～20分钟。
以上方法制备的纳米碳微粒存于混合浆料中，颗粒均匀性好，这样的混合浆料就是碳基丝网印刷浆料，可直接用来制备均匀性、稳定性、重复性优越的冷阴极。
与背景技术相比，本发明有以下优点：
1、工艺简单，易于实施，制备成本低。
2、用本发明的方法制备的产品，具有优良的场发射均匀性和稳定性，且产品重复性好。
具体实施方式
现通过实施例详细说明本发明的技术方案。所有的实施例完全按照上述的制备方法的操作步骤进行操作。
实施例1干法球磨制备纳米碳微粒之一
具体操作步骤包括：
第一步 原料准备
用真空电弧法或化学气相沉积法所制备的碳纳米管、碳纳米纤维或两者按任何质量比例混和的混合粉体作为原料，原料的质量为2g；
第二步 干法球磨
将原料与大、小磨球放入球磨机的磨罐中，球磨机为行星式球磨机，磨罐是钢罐，磨球为钢珠，大钢珠和小钢珠的质量分别为4g和2g，大钢珠和小钢珠的数量分别是13和45颗，大磨球∶小磨球∶原料的质量比为26∶45∶1，在磨罐内压力和球磨机转速分别为1个大气压和200转/分钟的条件下进行干法球磨，时间为2小时，自然降温至室温后，将经干法球磨处理的原料取出；
第三步 清洗、过滤、挥发
将经第二步干法球磨处理后的原料与易挥发的有机溶剂混和成滤液，易挥发的有机溶剂是丙酮，丙酮的质量为20g，超声清洗5分钟，纱网过滤，滤去滤液中的大颗粒，挥发丙酮，得产品，纳米碳微粒，呈粉末状。
实施例2干法球磨制备纳米碳微粒之二
除以下不同外，其余的操作步骤均与实施例1的相同：在实施例1的第三步的“滤去滤液中的大颗粒”与“挥发丙酮”之间，***对滤液进行离心过滤的操作：将过滤得到的滤液放入离心机，离心过滤2分钟。
以上两个实施例制备的纳米碳微粒颗粒均匀，呈粉末状，特别适于用来配制碳基丝网印刷浆料，再用该浆料涂布碳基薄膜，制备均匀性、稳定性、重复性优越的冷阴极。
实施例3湿法球磨制备纳米碳微粒之一
具体操作步骤包括：
第一步 原料准备
用真空电弧法或化学气相沉积法所制备的碳纳米管和碳纳米纤维按任何质量比例混和的混合粉体为原料，原料的质量为3g；
第二步 湿法球磨
将原料、丝网印刷浆料与大、小磨球放入球磨机的磨罐中，球磨机为行星式球磨机，磨罐是玛瑙罐，磨球为大、小玛瑙珠，大玛瑙珠和小玛瑙珠的质量分别为4g和2g，大玛瑙珠和小玛瑙珠的数量分别是12和45颗，大磨球∶小磨球∶原料的质量比为16∶30∶1，丝网印刷浆料为18g，原料与丝网印刷浆料的质量比为1∶6，在磨罐内压力和球磨机转速分别为1个大气压和600转/分的条件下进行湿法球磨，时间为2.5小时，自然降温至室温后，将经湿法球磨处理的原料与丝网印刷浆料的混合浆料取出；
第三步 清洗、过滤
将经第二步湿法球磨处理后的混合浆料经超声清洗，时间为3分钟，再经纱网过滤，滤去混合浆料中的大颗粒，得产品，纳米碳微粒，产品存于混合浆料中。
实施例4湿法球磨制备纳米碳微粒之二
除以下不同外，其余的操作步骤均与实施例3的相同：在实施例3的第三步的“滤去混合浆料中的大颗粒”和“得产品”之间，***对混合浆料进行离心过滤的操作，离心过滤的时间为15分钟。
以上两个实施例制备的纳米碳微粒，颗粒均匀，存于混合浆料中，该浆料就是碳基丝网印刷浆料，可直接用于涂布碳基薄膜，制备均匀性、稳定性、重复性优越的冷阴极。
Claims (4)
1、一种制备纳米碳微粒的方法，其特征在于，具体操作步骤包括：
第一步 原料准备
用真空电弧法或化学气相沉积法所制备的碳纳米管、碳纳米纤维或两者按任何质量比例混和的混合粉体作为原料；
第二步 干法球磨
将原料与大、小磨球放入球磨机的磨罐中，大磨球∶小磨球∶原料的质量比为12～30∶25～50∶1，在磨罐内压力和球磨机转速分别为1个大气压和100～800转/分的条件下进行干法球磨，时间为0.5～4小时，自然降温至室温后，将经干法球磨处理的原料取出；
第三步 清洗、过滤、挥发
将经第二步干法球磨处理后的原料与易挥发的有机溶剂混和成滤液，前者与后者的质量比为1∶8～24，超声清洗2～6分钟，纱网过滤，滤去滤液中的大颗粒，挥发有机溶剂，得产品，纳米碳微粒。
2、根据权利要求1所述的制备纳米碳微粒的方法，其特征在于，在第三步的“滤去滤液中的大颗粒”与“挥发有机溶剂”之间，***对滤液进行离心过滤的操作，时间为1～3分钟。
3、一种制备纳米碳微粒的方法，其特征在于，具体操作步骤包括：
第一步 原料准备
用真空电弧法或化学气相沉积法所制备的碳纳米管、碳纳米纤维或两者按任何质量比例混和的混合粉体作为原料；
第二步 湿法球磨
将原料、丝网印刷浆料与大、小磨球放入球磨机的磨罐中，大磨球∶小磨球∶原料的质量比为12～30∶25～50∶1，原料与丝网印刷浆料的质量比为1∶5～10，在磨罐内压力和球磨机转速分别为1个大气压和100～800转/分的条件下进行湿法球磨，时间为0.5～4小时，自然降温至室温后，将经湿法球磨处理的原料与丝网印刷浆料的混合浆料取出；
第三步 清洗、过滤
将经第二步湿法球磨处理后的混合浆料经超声清洗，时间为2～6分钟，再经纱网过滤，滤去混合浆料中的大颗粒，得产品，纳米碳微粒，产品存于混合浆料中。
4、根据权利要求3所述的纳米碳微粒的方法，其特征在于，在第三步的“滤去混合浆料中的大颗粒”和“得产品”之间，***对混合浆料进行离心过滤的操作，离心过滤的时间为10～20分钟。
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