[发明专利]一种简易可控的碳纳米管纸的制备装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种简易可控的碳纳米管纸的制备装置和方法，运用该方法制备的碳纳米管纸在传感器、电极、燃料电池和场发射显示器等领域有潜在应用。

背景技术

自1991年碳纳米管被日本学者发现以来，就因其独特的结构与性能引起人们的广泛关注。碳纳米管的拉伸强度很高，同时具有优异的导电性和导热性以及抗腐蚀性等被誉为“超级纤维”。碳纳米管因其具有优异的物理化学性能，在场发射，电池及超级电容器，传感器，高性能复合材料等领域具有很好的应用前景。到目前为止，由其组装而成的宏观结构有碳纳米管丝带、纤维、薄膜以及碳纳米管纸(也称为巴基纸)等。碳纳米管纸是由相互纠缠的碳纳米管，通过管与管之间的范德华力构成的像纸一样的碳纳米管薄层。

碳纳米管纸的一个主要应用领域是燃料电池，巴基纸可以用来制作电极、电容和电池主体，巴基纸电池无毒，散热性好，比笔记本电脑上使用的石墨电池更轻、更节能，将来可作为石墨电池的替代品大规模普及。更长远的计划是用巴基纸材料制造飞机、汽车，甚至制造装甲车和坦克以及“隐身”(反雷达)材料。

目前碳纳米管纸的制备方法主要有抽滤法，滚压法以及直接生长出碳纳米管纸的化学气相沉积法。抽滤法是将制备好的碳纳米管分散在液体溶剂中形成悬浮液，通过抽滤得到巴基纸的一种方法。这种传统方法制备的碳纳米管纸由杂乱无章的碳纳米管相互纠缠再形成，很难实现纳米管的有序排列，同时由于碳纳米管容易团聚在一起，使碳纳米管纸的性能较差。滚压法是用圆柱面直接将竖直排列的碳纳米管阵列按一定方向压倒形成碳纳米管纸。该方法需要采用成本很高且难于制备的碳纳米管阵列为碳管材料，但所得到的碳纳米管纸的机械性能的并不高，且巴基纸的尺寸受碳纳米管阵列尺寸规格限制。化学气相沉积法虽然能够获得具有一定取向度碳纳米管纸，但该方法制备工艺复杂并对设备要求较高。综上所述，传统的碳纳米管纸制备方法具有原材料成本高，工艺复杂或者所得碳纳米管纸性能差等缺点，限制了碳纳米管纸的进一步发展和广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种简易可控的碳纳米管纸的制备装置和方法，通过卷绕辊、气压式喷枪、加热装置的有效结合，并通过改变其工艺参数制备不同尺寸大小、不同厚度、不同时间产量的碳纳米管纸，该方法制备的碳纳米管纸可广泛应用于超级电容器、电池以及过滤材料中，亦可发展成为高性能、多功能的碳纳米管复合材料的制备方法，具有广阔的应用前景。

为了达到上述目的，本发明提供了一种简易可控的碳纳米管纸的制备装置，其特征在于，包括气压式喷枪、气压泵、卷绕辊和加热装置，所述的气压式喷枪连接气压泵。使用时，将分散好的碳纳米管分散液注入气压式喷枪中，并保证喷枪、卷绕辊、加热装置处于同一水平位置，调节好三者之间的水平距离。所述的喷枪进给量、卷绕辊直径及卷绕速度、加热装置的热效应要选取合适的工艺参数，以使溶剂的蒸发速度与单位时间喷洒量相互配合，不因过快的蒸发或过量的喷洒而影响生产效率或碳纳米管纸的品质。

优选地，所述的卷绕辊的材料为金属、高聚物或玻璃。

优选地，所述的卷绕辊连接控速电机。通过控速电机调节其转绕方向和转绕速度。

优选地，所述的气压式喷枪为单喷头喷枪或多喷头喷枪。

优选地，所述的气压式喷枪和加热装置分别设置在卷绕辊的两侧，二者处于同一水平位置。

本发明还提供了一种简易可控的碳纳米管纸的制备方法，其特征在于，采用上述的简易可控的碳纳米管纸的制备装置，具体步骤为：将碳纳米管加入到可挥发性溶剂中，添加分散剂，在超声波振荡下，实现碳纳米管在可挥发性溶剂中的均匀分散；在卷绕辊的表面覆盖一层镂空模具；通过喷枪将所得的碳纳米管分散液喷洒在转动的卷绕辊上，同时启动卷绕辊附近的加热装置，使可挥发性溶剂挥发，连续进行喷洒、卷绕和挥发过程，脱模制得碳纳米管纸。

通过调节气压泵的输出压大小来调节单位时间内碳纳米管分散液的喷洒量。喷枪的喷嘴到卷绕辊表面距离根据实际要求所定，一般情况下，制取宽度为5厘米(长度取决于卷绕辊直径)的碳纳米管纸，其距离控制在3-5厘米。加热装置的热效应根据卷绕辊的转速不同进行调节，加热装置距离卷绕辊表面3-5厘米，确保加热区的温度在60-80摄氏度。可调节气压式喷枪和加热装置相对水平放置，在工作时要确保已形成的碳纳米管层再次到达喷洒区时表面干燥，可挥发性溶剂已基本蒸发完毕。通过喷枪的持续喷洒和加热装置作用下溶剂的有序挥发，一段时间后，揭下卷绕辊表面覆盖的聚合物基底，便可获得分布均匀的碳纳米管纸。将镂空模具覆盖在卷绕辊表面可以获得各种形态尺寸的碳纳米管纸。