[发明专利]一种碳纳米纤维纸及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米级碳纤维领域，特别涉及一种碳纳米纤维纸及其制备方法。

背景技术

广义的碳纳米纤维是一种相对于普通微米级碳纤维的纳米尺度的碳纤维，依结构可分为碳纳米管（空心碳纳米纤维）和实心碳纳米纤维，碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，而实心碳纳米纤维是由多层石墨片卷曲而成的纤维状纳米碳材料，它的直径一般在10nm-500nm，是介于普通微米级的碳纤维和碳纳米管的准一维材料。目前，碳纳米纤维制备主要有 3种方式：1. 石墨电弧法，1991年日本科学家Iijima首次观察到利用石墨电弧法制备的碳纳米管；2. 激光蒸发法，此法重要是用来合成单壁碳纳米管，此法产量低，成本高；3.  催化裂解法，也叫化学气相沉积法（CVD），此方法成本低，可实现大规模生产碳纳米管。

碳纳米纤维因其极高的电学特性、优良的力学性质以及高比表面积，具有良好的应用前景：例如，1997年Nature杂志报道了单壁碳纳米管储氢气可达10wt%，中国专利CN1398782，美国专利US2005118091以及日本专利JP2001146408都公开了不同形式的利用碳纳米管储氢的方法；2012年，J. Power

Sources杂志报导了将4nm厚的MnO₂包覆于实心碳纳米纤维，配合硫酸钠电解质制成了高性能超级电容器；2010年，Nature报到利用碳纳米管作锂电池阳极将电化学电容和法拉第反应电池结合，获得了高性能的锂电池，中国专利CN101346834公开一种碳纳米管表面包裹纳米级硅颗粒用于锂电池负电极；中国专利CN101817518利用碳纳米纤维制备燃料电池的电极基材;2010年Composites杂志报道了利用碳纳米纤维制成复合纸用于防雷击。总而言之，碳纳米纤维在储氢材料、高性能锂电池、超级电容器、燃料电池电极、电磁屏蔽材料上有良好的应用前景。

    然而，分散的孤立的碳纳米纤维是很难直接应用，必须将其制成宏观的基材，同时不失其纳米材料的性能，才能便于应用。碳纳米纤维纸就是这样一种良好的基材。碳纳米纤维纸是将碳纳米纤维（包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和实心的碳纳米纤维中的一种或混合）制成纸状成为一个宏观便于应用的基材，碳纳米纤维疏松交联在一起，保持了碳纳米纤维高比表面积，高导电性的特性。

由于碳纳米纤维纳米级的尺寸，分散十分困难，而且过小的尺寸对滤网的要求较高，大规模生产困难，因此国内在大规模生产方面，只要集中于微米级碳纤维纸制造。例如，中国专利CN1643213公开了一种利用利用微米级碳纤维制备碳纤维纸，并用于燃料电池的多孔电极；中国专利CN101798774公开了一种利用PAN基石墨纤维经树脂炭粘结成碳纤维纸；专利CN102561099公开了一种采用微米级碳纤维复合粘合剂制成适用于2000摄氏度高温的碳纤维纸。然而，微米级碳纤维纸是无法替代碳纳米纤维纸的，碳纳米纤维在比表面积、导电性以及力学特性都是普通微米级碳纤维无法比拟的。然而，国内在大规模、低成本生产碳纳米纤维纸方面尚属空白，很多工艺技术并不适于大规模低成本生产。例如，中国专利CN102351165、CN102561109和CN1475437均公开了一种通过分散抽滤得到的碳纳米管纸的制备方法，此制备方法选用的是价格昂贵的碳纳米管，并且由于碳纳米管的纳米级尺寸，要保证碳纳米管在滤网上的留着，对滤网要求过高，并不适合大规模低成本生产。中国专利CN101284662公开了一种经絮化处理和分离定型过程制备碳纳米管薄膜的制备方法，此种方法由于添加絮化处理过程对滤网要求不高，但仍然只选用价格昂贵的碳纳米管，并且添加分离定型过程，因此并不适于大规模低成本生产。中国专利CN102627847公开的一种无支撑碳纳米管气敏膜，同样选用昂贵的碳纳米管，并且要求0.22微米的微孔滤膜。因此，开发一种低生产成本的碳纳米纤维纸以及其适用于工业大规模生产的制备方法是十分必要的。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种采用纳米级碳纤维制备的、厚度可调、亲水性可调的、体密度可控、透气性导电性优秀的碳纳米纤维纸；另一目的在于提供一种适用于工业大规模生产碳纳米纤维纸的方法。

本发明第一目的是这样实现的，包括纳米级碳纤维，纳米碳纤维表面背接枝羟基和羧基官能团，碳纳米纤维之间依靠氢键和范德瓦耳斯力结合。所述纳米级碳纤维可以是单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和是实心碳纳米纤维中的一种或者混合。