[发明专利]一种碳纳米管宏观体的连续制备及成膜方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种连续制备筒状碳纳米管宏观体，以及基于这种宏观体的在大气开放体系中制备碳纳米管薄膜的方法和装置，属于纳米材料技术领域。

背景技术

在此处键入技术领域描述段落。碳管宏观体是指至少在一个维度上达到宏观尺度的碳纳米管的聚集体。可分为一维碳纳米管纤维、二维碳纳米管薄膜和三维的碳纳米管块状体。近年碳管宏观体的研究得到了飞速的发展。实现在宏观尺度下保持碳纳米管在纳米尺度下的优异性质是一技术难点。碳管薄膜是由碳管通过特定的工序方法组装成的，具有质轻、高强、高导电、高导热、超电容等特性的高性能薄膜。研究表明，具有纳米孔洞结构的碳管及其薄膜在超级电容器电极材料，燃料电池，催化等领域具有潜在的应用价值。例如通过控制膜厚度，这种材料表现出极高的导电性能和对可见光的透过性，可用作氧化铟锡膜的替代物。

目前碳管薄膜的制备方法主要可分为溶液法和化学气相沉积法。溶液法类似于传统的造纸工艺：首先将纯化后的碳管分散在特定的溶剂中制成浆体，然后将其通过真空抽滤、旋涂、LB膜法或直接挥发等方法沉积在基板上。用这种方法可得到各向同性的碳管薄膜，薄膜中碳管随机分布。但是碳纳米管表面的大π键使其既不亲水也不亲油，几乎不溶于现有的任何溶剂，使得碳管不易分散。碳管的分散是该方法的关键技术。通常的做法是使碳管功能化。但获得高纯均相的碳管薄膜又需要对其去功能化处理，增加了该方法的复杂性。化学气相沉积法是一种非常简单有效的制备碳管薄膜的方法。可以制备水平或者垂直定向的碳管薄膜。其是先在特定基板上沉积催化剂层，然后通过控制碳源、载气的供给方式、反应温度等来调节所合成碳管类型、排布方式、纯度等，但是薄膜的厚度和尺寸受催化剂活性和基板的尺寸的限制，且制备过程不连续。另一种方法是浮动催化化学气相沉积法，催化剂随碳源、载气等一起通入反应区，形成碳纳米管，在低温区沉积形成碳管薄膜，但形成的薄膜中碳纳米管的定向性不好，薄膜的大小取决于反应管的管径和低温区的长度且不能连续制备。

中国专利CN101665247A公开了一种用液封气相流催化反应制备碳纳米管膜的方法。将含碳原料、金属催化剂和反应促进剂输入到立式管式电阻炉中进行反应，在氢气流中形成碳纳米管薄膜，用机械的方法将其纺出。由于薄膜的宽度受炉管的管径限制，使制备的薄膜的尺寸受限，不能满足工业化需求。高温氢气密闭系统，存在着潜在的危险性，不利于工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种连续制备碳纳米管宏观体，以及基于这种宏观管的在大气开放体系中制备碳纳米管膜的方法和装置。

采用的合成反应器为高温管式电阻炉。具体步骤为用输液泵将反应液连续泵入石英管，经气化后随载气进入炉腔进行反应。气化后的反应液在高温区催化裂解迅速合成碳纳米管，浮在载气中，通过相互搭接形成碳纳米管曲面膜。该膜不断长大并致密化，随着载气向炉管尾部运动。在这个过程中，由于炉管的限域作用，气体将曲面膜挤成一端封闭、一端开口的筒状物。筒中充斥着气体，被连续不断地从炉管中吹出，形成连续的灰白色、半透明的筒状碳纳米管宏观体。由于从炉中吐出的该宏观体具有很高的表面活性，粘性很大，易于搭接，并可以在大气环境中被连续的纺出，故设计一台纺膜的辊子，置于炉尾，在辊子上铺上用凝固液润湿好的基底薄膜，将筒状碳纳米管宏观体有序地缠绕在基底膜上，收缩成膜，最终碳纳米管膜可附着在基底薄膜上，也可以从基底膜上脱离，制得自支撑碳纳米管薄膜，脱离方法可是干法剥离或湿法剥离。

所述的反应液为溶解了二茂铁和噻吩的以碳、氢元素组成的烃类和以碳、氢、氧元素组成的醇、酮或羧酸类化合物的混合溶液。

所述的反应液注入速率为0.1-10.0sccm。

所述的反应器为高温管式炉，炉管是刚玉管，管径为10-60mm，反应温度为1200-1800℃。

所述的载气为为氮气、氦气和氩气等惰性气体，载气流量为10-1000sccm。

所述的筒状碳纳米管宏观体是由单壁，双壁，薄壁碳纳米管中的一种或多种碳纳米管组成，该宏观体的管径为3-60mm，从炉管吹出的速率为1.2-50m/min。

所述的连续制备筒状碳纳米管宏观体的装置主要包括管式炉和刚玉管组成的合成反应器，刚玉管的进气端通过法兰和石英管相连，石英管和进气管相连，并通过输液管和输液泵相连，输液泵将反应液压入石英管，在石英管中汽化随载气进入反应炉中参与反应。