[发明专利]一种形状和尺寸可控的碳纳米管纸的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管纸的制备方法，尤其是涉及一种形状和尺寸可控的碳纳米管纸的制备方法。

背景技术

碳纳米管是近二十年来出现的新型纳米材料，其优异的力学、电学、热学、光学等性质，引起材料、物理、化学、生物等领域科学家的极大兴趣，碳纳米管在燃料电池、电化学超级容器、锂离子电池、散热片、过滤介质、生物工程材料、复合材料增强增韧、功能复合材料等领域具有广泛的应用前景。传统的方法主要是将碳纳米管以直接分散方法引入到介质中，但由于碳纳米管比表面积和表面能大，极易发生团聚，从而严重影响了其应用进展。

虽然碳纳米管具有优异的热物理和力学性能，但在工程实际应用上，更关心的是材料的宏观性能，因此，构筑具有宏观尺度的碳纳米管聚集体，是近年来研究的热点。碳纳米管纸(也称巴基纸)是管与管通过范德华力吸引而相互缠绕形成的自支撑薄膜结构，由于管与管相互缠绕或搭接，形成了连续的网络结构，因此，表现出优异的力学、热学、导电等性能，使其在汽车、能源、电子、军工、生物、制药等领域有着广阔的应用前景。

近年来，有学者提出采用真空抽滤法制备碳纳米管纸，但得到的圆片尺寸小，力学性能较低；也有采用化学气相沉积法制备的碳纳米管纸，同样存在尺寸小制备过程复杂，且设备昂贵；美国一个化学公司采用化学气象沉积法制备得到大尺寸的碳纳米管纸，但技术保密不能公开获得；也有学者采用喷射等方法制备碳纳米管纸，虽然可以解决尺寸问题，但制品均匀性较差，存在许多微米级颗粒，并且制品中含有杂质不易纯化，限制了应用范围。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作简易、制备快速、性能优异、形状和尺寸可控的碳纳米管纸的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种形状和尺寸可控的碳纳米管纸的制备方法，包括以下步骤：

(1)在正压过滤罐的过滤基座上铺放聚合物滤膜：根据所需碳纳米管纸的大小和形状，选取相应大小的正压过滤罐、相应形状的过滤基座，或者通过改进过滤罐基座并铺放所需形状和尺寸的聚合物滤膜；

(2)将碳纳米管与溶剂混合，再加入分散剂，对混合溶液进行超声或剪切分散制备成稳定的悬浮液；

(3)将悬浮液引入过滤罐中，密封，连接空压机，施加压力，悬浮液中的溶剂从过滤罐底部流出，留在聚合物滤膜上的物质即为碳纳米管；

(4)将聚合物滤膜及其上物质滤干后，清洗，并烘干，剥离聚合物滤膜，得到碳纳米管纸。

步骤(2)中加入的碳纳米管为非功能化碳纳米管或功能化碳纳米管；所述的功能化碳纳米管是指经化学改性处理后，表面带有官能团的碳纳米管；所述的官能团包括羟基、羧基或氨基。

步骤(2)中碳纳米管在悬浮液中的质量百分含量为1％～3％；分散剂在悬浮液中的质量百分含量为0.1％～2％。所述的溶剂为去离子水、N，N-二甲基甲酰胺或丙酮。所述的分散剂为十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)或聚乙二醇单辛基苯基醚(Triton X-100)。

步骤(3)中，施加的压力大小为0.1～0.5MPa。

步骤(4)中，将聚合物滤膜及其上物质滤干后，加入交联剂进行在线交联反应，提高碳纳米管纸中各碳纳米管之间的化学键连接。所述的交联剂为碳化二亚胺。

通过调节正压过滤罐的大小或基座形状，来得到预定大小形状的制品；通过滤液浓度及体积来得到预定厚度的碳纳米管纸；通过控制压力大小来控制碳纳米管纸的密实程度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

本发明通过正压过滤方法，制备形状和尺寸可控的碳纳米管纸，制备步骤简单，设备简易，制备方法快速。并且，通过改变过滤罐过滤基座的形状，来改变碳纳米管纸的形状，通过改变滤罐和过滤基座的大小，来改变碳纳米管纸的大小。通过调节滤液的浓度和体积，正压压力的大小，以及滤膜的孔径，来控制碳纳米管纸的厚度、密度和孔隙率等。并且，本发明适用于不同型号碳纳米管，不同功能化处理的碳纳米管，在滤液滤干之际，可以根据应用要求，进行现场物理处理来提高碳纳米管纸的纯度，或者进行化学处理来提高碳纳米管纸中碳纳米管相互之间的连接性，从而显著提高其力学、电学和热学等性能。

附图说明

图1为实施例1中使用的过滤罐结构示意图；

图2为实施例1制得的圆形碳纳米管纸示意图；

图3为实施例1制得的圆形碳纳米管纸扫描电子显微镜图；

图4为实施例3制得的矩形碳纳米管纸示意图。

具体实施方式