[发明专利]具有增强导电率的高度可溶碳纳米管

说明书

发明背景

相关申请

本申请要求2011年6月24日提交的、题为《使用非氧化性强酸和芘衍生物制备具有增强导电率的高度可溶碳纳米管（The Use Of Strong Non-Oxidative Acids And Pyrene Derivatives To Produce Highly Soluble Carbon Nanotubes With Enhanced Conductivity）》美国临时专利申请No.61/500,985的优先权，该文的全部内容通过引用纳入本文。

联邦资助研究/开发项目

本发明按照由国家标准技术研究院(NIST)技术创新项目授予的合同序号70NANB10H001在政府资助下完成。美国政府享有本发明的某些权利。

发明领域

本发明涉及使用强酸和功能化的多芳环分子来非共价的功能化碳纳米管，从而增加碳纳米管的溶解性和/或导电率。

现有技术说明

碳纳米管（CNT）非常有望用于导电迹线的应用，尤其是在印刷电子学中。与传统的金属迹线相比，印刷的CNT迹线可提供许多益处，包括易于应用和具有机械柔性。但是，“原料”CNT通常是非常无序和不纯的粉末，必须提纯和分散来创建用于印刷CNT迹线的导电（或半导体）“墨水”。但是，使CNT保持分散在溶液中是个挑战。因为相互间的范德华力（van der Waals），CNT强烈的相互吸引，致使它们聚集且从溶液中析出。为了创建能用于印刷的CNT墨水，必须开发能确保CNT保持分散的方法。

已有多种方法来使碳纳米管（CNT）更加可分散的，包括氧化方法、使用表面活性剂、用可溶基团进行共价功能化、和非共价功能化。在这些方法中，非共价功能化对碳纳米管的电学性能影响最小。共价功能化在CNT的π网络中创建缺陷，这会不利的影响它们的导电率。类似的，纳米管的氧化会负面影响CNT的电学特征，因为氧化会损坏纳米管和降低它们的尺寸。向溶液添加添加剂如表面活性剂，也会破坏成品墨水印刷的CNT膜的电学性能。为了减少这些影响，须要对印刷的CNT膜进行应用后处理包括反复的冲洗，这会带来额外的步骤、产率损失、和大量的浪费，且仍然不能保留初始CNT的导电率。

已经公开了多种非共价功能化碳纳米管的方法。如果官能团是液体，那么只要在升高的温度下搅拌就有效。有些固体可与碳纳米管一起熔融，但许多固体在熔融之前就分解，对于许多多芳环烃来说尤其如此。超声也可用于在溶剂中暂时的分散CNT。超声可与另一种功能化方法联用，因为它可暂时的打开碳纳米管束并允许官能团到达CNT之间。但是，强烈的或延长的超声趋于损坏碳纳米管，这可能导致不那么需要的电学性能。

本领域需要用于溶解碳纳米管同时保留和甚至增强其导电率的改善的方法。

发明内容

本发明通过提供一种用于制备具有改善的碳纳米管溶解性和导电率的碳纳米管分散体的方法克服了现有技术的这个问题。该方法包括提供碳纳米管、包括至少一个多芳环部分的化合物和酸的混合物。该包括至少一个多芳环部分的化合物与碳纳米管非共价的连接，且酸与该至少一个多芳环部分反应。本发明还涉及通过这种方法形成的分散体。

在另一种实施方式中，本发明提供一种分散体，该分散体包括非共价的连接到包括各个多芳环部分的化合物的碳纳米管。至少一些多芳环部分与酸反应。以分散体的总重量作为100重量％计，分散体中碳纳米管的浓度为至少约0.05重量%。还可将分散体形成为膜，该膜的面电阻小于约7,000欧姆/平方。

附图简述

图1显示了在实施例1中制备的样品的D/G比例；

图2显示了在实施例1中制备的样品的TGA分析；

图3显示了原料CG200碳纳米管的TGA分析；

图4显示了在实施例2中制备的样品的D/G比例；

图5显示了原料CG200碳纳米管的D/G比例；

图6显示了在实施例2中制备的样品的拉曼光谱；

图7显示了原料CG200碳纳米管的拉曼光谱；

图8显示了在实施例3中制备的样品的D/G比例；

图9显示了原料SG65碳纳米管的D/G比例；

图10显示了在实施例3中制备的样品的拉曼光谱；

图11显示了在实施例4中制备的样品的D/G比例；

图12显示了在实施例4中制备的样品的拉曼光谱；

图13显示了在实施例5中制备的样品和XBC3350碳纳米管的D/G比例（为了便于阅读，XBC3350的光谱已乘以因子0.473）；