[发明专利]一种碳纳米管产品及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米管制备技术领域，具体而言，涉及一种碳纳米管产品及其制备方法。

背景技术

自1991年日本电镜专家Iijima在真空电弧蒸发的石墨电极中观察到碳纳米管(CNTs)以来,CNTs就因其独特的结构和优异的性能引起了世界范围内不同研究领域专家们的广泛兴趣。理论和实验研究表明，CNTs的密度仅为钢铁的1/6，但是其拉伸强度却可超越100GPa，断裂伸长率可达15％-20％，拉伸模量可达1Tpa。

然而要想充分发挥碳纳米管的上述优越性能，必须将其组装成宏观结构,如纤维等。当前已经发展的碳纳米管纤维的制备方法主要有溶液纺丝法、碳管阵列抽丝法和浮动CVD(化学气相沉积)直接纺丝法。溶液纺丝法是首先将碳纳米管分散成具有一定浓度的均匀溶液,然后模拟传统溶液纺丝技术,通过液相注射成丝而得,以此制得的碳纳米管纤维显示出较高的韧性,但是强度很差(0.1GPa)。阵列抽丝法目前所能达到的最高单束强度也只有3.3GPa。浮动CVD直接纺丝法的最早开发者是英国剑桥大学的Windle小组,而且该小组已经获得了强度为8.8GPa的CNT-Fs,且该法是最具有规模工业化制备碳纳米管纤维潜力的方法。即便如此，与单根碳纳米管的强度相比仍然相差甚远。

究其原因，溶液纺丝法和垂直阵列纺丝法所制备的碳纳米管中含有大量的缺陷和催化剂杂质，浮动CVD直接纺丝法所制备的碳纳米管缺陷可以控制的较少一些，但是其单元长度短以及催化剂杂质多仍然是限制其组装成宏观纤维强度的巨大障碍，相关技术中的浮游碳纳米管的长度往往停留在几个微米级别，杂质的含量往往在10％左右甚至更多。另外，相关技术中所制备的碳纳米管缺陷较少往往是以使用氢气来实现，使其在环境中直接连续收集的危险性显著增加。目前，相关技术中并不能直接大量制备得到超高纯度、高质量的长碳纳米管。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种碳纳米管的制备方法，该方法工艺简单，有效实现了高质量、高纯度长双壁碳纳米管的安全宏量制备。

本发明的第二目的在于提供一种采用上述的碳纳米管的制备方法制备得到的碳纳米管产品，所述的碳纳米管产品纯度高，质量高，长度长。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种碳纳米管的制备方法，以惰性气体和氮气中的一种或多种为载气，采用恒温区长度为1m以上的反应装置制备碳纳米管。

可选地，所述恒温区长度为2m以上，优选为2-10m。

本发明碳纳米管的制备方法工艺简单，不采用氢气作为载气，采用长恒温区反应装置直接制备碳纳米管，有效实现了高质量、高纯度长双壁碳纳米管的安全宏量制备，有效解决了相关技术方法制备碳纳米管存在的质量、长度、纯度三者法同时兼顾这一科学和技术难题。

可选地，所述碳纳米管的制备方法，包括如下步骤：

a.在载气保护下,将反应装置恒温区升温，调节载气流量至相应值,通入碳源；

b.将催化剂前驱体和生长促进剂加热分解形成催化剂颗粒,进入反应装置恒温区反应得到碳纳米管。

可选地，所述催化剂前驱体包括挥发性金属有机化合物中的一种或多种，优选包括二茂铁、二茂镍和二茂钴中的一种或多种。

可选地，所述催化剂前驱体的挥发温度为50-150℃，优选为60-90℃。

可选地，所述生长促进剂包括含硫物质中的一种或多种，优选包括硫粉和含硫有机物中的一种或多种。

可选地，所述催化剂前驱体和生长促进剂的质量比为100-500：1，优选为200-300：1。

可选地，所述碳源包括有机化合物中的一种或多种，优选为甲烷。

可选地，所述碳源的流量为0.5-50mL/min，优选为1-10mL/min。

可选地，所述反应装置恒温区升温至900-1200℃，优选为1000-1100℃；

可选地，所述载气的流速为3.5-70cm/min，优选为35-43cm/min。

采用上述的一种碳纳米管的制备方法制备得到的碳纳米管产品。

可选地，所述碳纳米管产品包括双壁碳纳米管纤维和/或碳纳米管薄膜。

本发明碳纳米管产品纯度高，质量高，长度长，具有优异的导电性、高弹性、高强度等特性,可望在超强纤维，透明导电薄膜、高频导线、薄膜晶体管器件、增强复合材料等器件和材料中获得应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：