[发明专利]一种混合碳纳米管薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种混合碳纳米管薄膜及其制备方法，通过将不同量的催化剂和促进剂溶解在有机碳源中形成不同浓度的、均匀的溶液，然后将溶液注入多个雾化器中，雾化形成大小均一的微小液滴，在载气的带动下分别进入多管联排CVD反应器的不同的反应管内，在管式炉的高温区连续生成由不同碳纳米管组成的桶状气凝胶，将气凝胶加捻混合后再引导至旋转和水平往复运动的辊筒上，收集一段时间后即可获得混合碳纳米管薄膜；本发明利用浮动化学气相沉积法，通过改变催化剂、促进剂和碳源的种类和用量，最终获得了混合碳纳米管薄膜；本发明所制备的混合碳纳米管薄膜具有成本低、产量高、纯度高、杂质少、电导率和机械强度高等优点。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，尤其涉及一种混合碳纳米管薄膜及其制备方法。

背景技术

1991年，碳纳米管的首次正式报道使人们注意到这种纳米尺度范围内的空心管状结构。虽然碳纳米管自身具有优异的力学性能、导电、导热能力和在高温、酸、碱等极端条件下突出的物理化学稳定性，但是，碳纳米管粉体在宏观上难以体现其微观尺度上的性能优势。

2004年，人们终于实现了浮动催化CVD法制备碳纳米管薄膜。这种方法制备的碳纳米管薄膜内部没有粘合剂和分散剂，由化学键和范德华力将碳纳米管联接在一起，所以碳纳米管薄膜继承了碳纳米管的各种优异性质，非常轻薄柔韧，在国防军工和航空航天等高端领域具有极高的应用价值。

碳纳米管薄膜的各项关键性能指标由碳纳米管的管壁结构及其组成的导电网络决定。

分析表明，在一般情况下，浮动催化CVD法制备碳纳米管薄膜时，反应体系需要非常稳定的动态平衡，其中碳纳米管的管径和管壁结构变化都很小，因此，改善碳纳米管薄膜的性能只能通过降低碳纳米管的直径和管壁的厚度这两种在碳源总量固定不变的前提下增加碳纳米管数量的方式实现。但是，碳纳米管的管径减小、管壁减薄有个极限，在管壁晶格层数为两层时，碳纳米管薄膜电导率达到最大值；继续减少管壁晶格层数则会导致2/3的碳纳米管变成半导体，薄膜整体电导率反而下降。而且，双壁碳纳米管薄膜的成本偏高，成为其大规模推广的障碍。

自从1991年碳纳米管正式报道以来，CVD法制备的碳纳米管通常倾向于相互团聚以降低表面能，管径大小一致的碳纳米管团聚体通常以六方密堆管束的形式出现，其中留下了大量的结构性空隙。空隙在薄膜生产后期的辊压过程也不能消除，它的存在导致薄膜内碳纳米管之间接触不够紧密、薄膜整体密度降低、管间接触电阻增加和薄膜整体电阻率提高等一系列问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有制备方法导致碳纳米管薄膜内部存在结构性空隙的缺点，提供一种混合碳纳米管薄膜及其制备方法，利用化学气相沉积法合成具有多种不同管径大小和管壁结构的碳纳米管桶状气凝胶，经加捻、混合和辊压后，在较大的碳纳米管管束的空隙中填充小管径的碳纳米管，有效地提高碳纳米管薄膜整体密度，形成一种新型的混合碳纳米管薄膜，该方法具有工艺简单、成本低、产量大，相较于传统CVD法制备所得到的多壁碳纳米管薄膜具有成本低、纯度高、杂质少、电导率和机械强度高。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种混合碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜由具有不同管径大小和不同管壁结构的碳纳米管组成。

本发明还设计一种混合碳纳米管薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：

S1混合搅拌：向多个烧杯中加入不同比例的碳源、催化剂和促进剂，充分搅拌至完全溶解；

S2升温通气：将多管联排CVD反应器置于卧式管式炉的高温区，升温，向反应器和收集箱体内通入惰性气体，待管式高温炉升至目标温度后再向体系内通入氢气；

S3制管：将步骤S1中配置的溶液分别注入多个不同的雾化器中，将溶液雾化形成大小均匀的微小液滴，调节氢气流量，以恒定流速将小液滴分别带入步骤S2中的多管联排CVD反应器的不同反应管内，得到不同管壁结构碳纳米管组成的桶状气凝胶；