碳納米管紙及其製備方法
2023-07-20 19:36:31 1
專利名稱：碳納米管紙及其製備方法
碳納米管紙及其製備方法技術領域：
本發明涉及碳納米管紙及其製備方法，特別涉及一種碳納米管結構及形狀無損的碳納米管紙及其製備方法。背景技術：
自1991年碳納米管(Carbon nanotubes, CNTs)問世以來，由於其獨特的物理化學性質，已成為國內外研究的熱點。碳納米管因具有良好的力學性能、較快的電子轉移速度而使其具有低阻抗，從而在高性能複合材料等領域中具有很好的應用前景。碳納米管通過管與管間的範德華力纏繞在一起，構成紙狀的碳納米薄層，稱為碳納米管紙(也稱為Bucky paper, BP,巴基紙)。由於碳納米管紙是由相互糾纏的碳納米管形成的碳納米管層，為自支撐(Free-standing)結構，其與碳納米管薄膜相比，碳納米管紙具有非常優異的力學性能， 同時也具有很好的電學性能，從而使得碳納米管紙在制動器、傳感器、電容器、電極、燃料電池和場發射顯示器等領域有著廣闊的應用前景。此外，碳納米管紙還具有優異的電熱性能和吸波性能，其巨大的比表面積使其成為很好的吸附過濾材料。雖然有關碳納米管紙的更多應用領域尚在研究階段，但其相對於碳納米管薄膜及碳納米纖維紙等其他碳納米材料具有更大的優勢及應用價值。目前碳納米管紙的製備方法主要有抽濾法、旋塗法、滾壓法和化學氣相沉積法，但是這些製備方法中，碳納米管需經過濃硝酸或濃硫酸的純化，純化過程會破壞碳納米管的結構和形狀。碳納米管的結構和形狀受損便會導致最終製得的碳納米管紙性能下降，例如，電導性能下降，從而限制了碳納米管紙的進一步廣泛應用。
發明內容
本發明旨在解決上述問題，而提供一種碳納米管形狀及結構無損(不被破壞)的且排列均勻緊密、結構完整的碳納米管紙。
本發明的目的還在於提供該碳納米管紙的製備方法。
為實現上述目的，本發明提供了一種碳納米管紙，其特徵在於，該碳納米管紙是由碳納米管與活性劑含量為20% 50% (重量)的水溶液按質量/體積比為O. lg/L lg/L的比例混合後形成碳納米管懸浮液，碳納米管懸浮液通過磁性過濾器過濾，得到濾餅，濾餅經有機溶劑的水溶液洗滌後通入惰性氣體中經持續加熱而形成碳納米管紙形碳納米管紙。
所述活性劑為Triton X-100、十六烷基三甲基溴化銨、吐溫-80中的一種或幾種的組合。
所述有機溶劑為乙醇、無水乙醇、異丙醇、甲苯、乙醯化丙酮、二甲基醯胺中一種或幾種的組合。
所述惰性氣體為氬氣或氮氣。
所述加熱溫度為150°C 550°C。
一種碳納米管紙的製備方法，其特徵在於，它包括如下步驟
a、將所述比例的碳納米管倒入含20% 50% (重量)活性劑的水溶液中，利用超聲波震蕩並攪拌O. 5 5h，形成分散均勻的碳納米管懸浮液。
b、將碳納米管懸浮液通過磁性過濾器過濾，得到濾餅；
C、將濾餅用有機溶劑的水溶液洗滌，去除濾餅表面殘留的活性劑；
d、將步驟(C)得到的濾餅通入到惰性氣體中持續加熱4 6h，最終得到碳納米管形狀及結構無損的碳納米管紙。
其中，步驟(a)中，所述活性劑為Triton X-100、十六烷基三甲基溴化銨、吐溫-80 中的一種或幾種的組合。
步驟(c )中，所述有機溶劑為乙醇、無水乙醇、異丙醇、甲苯、乙醯化丙酮、二甲基醯胺中一種或幾種的組合。
步驟(d)中，所述惰性氣體為氬氣或氮氣。
步驟(d)中，所述加熱溫度為150°C 550°C。
本發明的碳納米管紙在製備過程中由於不需要經過強酸的純化，從而不會破壞碳納米管的形狀及結構，保護了碳納米管的原始結構，使得形成的碳納米管紙性能優異。此外，本發明的碳納米管紙在製備過程中還採用了磁性過濾器進行過濾，使得碳納米管的排列更加均勻緊密，從而增強了碳納米管紙的電導性能性能。本發明的碳納米管紙結構完整、 電導性能好，並具有製備工藝簡單，對原料設備要求低，易於實施等特點。
附圖1是原生碳納米管的結構掃描圖。
附圖2是本發明實施例1的碳納米管紙的結構掃描圖。
附圖3是本發明實施例2的碳納米管紙的結構掃描圖。
附圖4是本發明實施例3的碳納米管紙的結構掃描圖。
附圖5是本發明實施例4的碳納米管紙的結構掃描圖。
具體實施方式
下列實施例是對本發明的進一步解釋和補充，對本發明不構成任何限制。
實施例1
稱取Ig多壁碳納米管，倒入IOOOml的含有20% (重量)的TritonX-1OO (聚乙二醇辛基苯基醚，分子式為(C2H4O)nC14H22O)活性劑水溶液中，利用超聲波 震蕩並攪拌lh，使碳納米管分散均勻，形成碳納米管懸浮液。將分散均勻的碳納米管懸浮液通過磁性過濾器過濾，得到帶有一定雜質的濾餅。將濾餅用乙醇溶液(含水的酒精)洗滌去除濾餅表面殘留的活性劑，得到無雜質的濾餅。最後將無雜質的濾餅通入到充滿氬氣的烘箱中，在200°C高溫下連續加熱5小時，從而得到不含雜質的、碳納米管結構和形狀不被破壞的且排列均勻緊密的碳納米管紙。
直接測試製得的碳納米管紙,其厚度為500 μ m,方塊電阻為15Ω/αιι,遠低於厚度為500 μ m碳纖維的方塊電阻值35 Ω/cm，即本發明的碳納米管紙具有更高的電導率。
實施例2
稱取O.1g單壁碳納米管，倒入IOOOml的含有30% (重量)的十六烷基三甲基溴化銨(結構式為C16H33 (CH3) 3NBr )活性劑水溶液中，利用超聲波震蕩並攪拌2h，使碳納米管分散均勻，形成碳納米管懸浮液。將分散均勻的碳納米管懸浮液通過磁性過濾器過濾，得到帶有一定雜質的濾餅。將濾餅用異丙醇(分子式為(CH3)2CHOH)的水溶液洗滌去除濾餅表面殘留的活性劑，得到無雜質的濾餅。最後將無雜質的濾餅通入到充滿氬氣的烘箱中，在200°C高溫下連續加熱5小時，從而得到不含雜質的、碳納米管結構和形狀不被破壞的且排列均勻緊密的碳納米管紙。
直接測試製得的碳納米管紙，其厚度為200μπι，方塊電阻為13Q/cm，遠低於厚度為500 μ m碳纖維的方塊電阻值35 Ω/cm，即本發明的碳納米管紙具有更高的電導率。
實施例3
稱取O. 5g多壁碳納米管，倒入IOOOml的含有40% (重量)的吐溫-80 (聚氧乙烯脫水山梨醇單油酸酯，分子式為C12HltlClNO3)活性劑水溶液中，利用超聲波震蕩並攪拌3h，使碳納米管分散均勻，形成碳納米管懸浮液。將分散均勻的碳納米管懸浮液通過磁性過濾器過濾，得到帶有一定雜質的濾餅。將濾餅用乙醯化丙酮(結構式為CH3C0CH2C0CH3)的水溶液洗滌去除濾餅表面殘留的活性劑，得到無雜質的濾餅。最後將無雜質的濾餅通入到充滿氬氣的烘箱中，在400°C高溫下連續加熱5小時，從而得到不含雜質的、碳納米管結構和形狀不被破壞的且排列均勻緊密的碳納米管紙。
直接測試製得的碳納米管紙，其厚度為60 μ m,方塊電阻為12 Ω /cm,遠低於厚度為500 μ m碳纖維的方塊電阻值35 Ω /cm,即本發明的碳納米管紙具有更高的電導率。
實施例4
稱取O. 3g雙壁碳納米管，倒入IOOOml活性劑水溶液中，其中，該水溶液中含有50% (重量)的TritonX-1OO及十六烷基三甲基溴化銨。將上述溶液利用超聲波震蕩並攪拌4h， 使碳納米管分散均勻，形成碳納米管懸浮液。將分散均勻的碳納米管懸浮液通過磁性過濾器過濾，得到帶有一定雜質的濾餅。將濾餅用二甲基乙醯胺(分子式為C4H9NO)的水溶液洗滌去除濾餅表面殘留的活性劑，得到無雜質的濾餅。最後將無雜質的濾餅通入到充滿氬氣的烘箱中，在500°C高溫下連續加熱5小時，從而得到不含雜質的、碳納米管結構和形狀不被破壞的且排列均勻緊密的碳納米管紙。
直接測試製得的碳納米管紙，其厚度為50 μ m，方塊電阻為ΙΙΩ/cm，遠低於厚度為500 μ m碳纖維的方塊電阻值35 Ω /cm,即本發明的碳納米管紙具有更高的電導率。
實施例5
稱取Ig多壁碳納米管，倒入IOOOml活性劑水溶液中，其中，該水溶液中含有25% (重量)的吐溫-80及十六烷基三甲基溴化銨。將上述溶液利用超聲波震蕩並攪拌O. 5h，使碳納米管分散均勻，形成碳納米管懸浮液。將分散均勻的碳納米管懸浮液通過磁性過濾器過濾，得到帶有一定雜質的濾餅。將濾餅用異丙醇和乙醇混合的水溶液洗滌去除濾餅表面殘留的活性劑，得到無雜質的濾餅。最後將無雜質的濾餅通入到充滿氮氣的烘箱中，在150°C 高溫下連續加熱4小時，從而得到不含雜質的、碳納米管結構和形狀不被破壞的且排列均勻緊密的碳納米管紙。
直接測試製得的碳納米管紙，其厚度為100 μ m，方塊電阻為12. 5 Ω/cm，遠低於厚度為500 μ m碳纖維的方塊電阻值35 Ω /cm,即本發明的碳納米管紙具有更高的電導率。
實施例6
稱取O. 8g單壁碳納米管，倒入IOOOml活性劑水溶液中，其中，該水溶液中含有40%(重量)的TritonX-1OO及吐溫-80。將上述溶液利用超聲波震蕩並攪拌5h，使碳納米管分散均勻，形成碳納米管懸浮液。將分散均勻的碳納米管懸浮液通過磁性過濾器過濾，得到帶有一定雜質的濾餅。將濾餅用甲苯(分子式為C7H8)和乙醇混合的水溶液洗滌去除濾餅表面殘留的活性劑，得到無雜質的濾餅。最後將無雜質的濾餅通入到充滿氮氣的烘箱中，在 550°C高溫下連續加熱6小時，從而得到不含雜質的、碳納米管結構和形狀不被破壞的且排列均勻緊密的碳納米管紙。
直接測試製得的碳納米管紙，其厚度為300 μ m，方塊電阻為13. 5 Ω/cm，遠低於厚度為500 μ m碳纖維的方塊電阻值35 Ω /cm,即本發明的碳納米管紙具有更高的電導率。
儘管通過以上實施例對本發明進行了揭示，但本發明的保護範圍並不局限於此， 在不偏離本發明構思的條件下，對以上各構件所做的變形、 替換等均將落入本發明的權利要求範圍內。
權利要求
1.一種碳納米管紙，其特徵在於，該碳納米管紙是由碳納米管與活性劑含量為20% 50% (重量)的水溶液按質量/體積比為O. lg/L lg/L的比例混合後形成碳納米管懸浮液，碳納米管懸浮液通過磁性過濾器過濾，得到濾餅，濾餅經有機溶劑的水溶液洗滌後通入惰性氣體中經持續加熱而形成碳納米管紙形碳納米管紙。
2.如權利要求1所述的碳納米管紙，其特徵在於，所述活性劑為TritonX-100、十六烷基三甲基溴化銨、吐溫-80中的一種或幾種的組合。
3.如權利要求1所述的碳納米管紙，其特徵在於，所述有機溶劑為乙醇、無水乙醇、異丙醇、甲苯、乙醯化丙酮、二甲基醯胺中一種或幾種的組合。
4.如權利要求1所述的碳納米管紙，其特徵在於，所述惰性氣體為氬氣或氮氣。
5.如權利要求1所述的碳納米管紙，其特徵在於，所述加熱溫度為150°C 550°C。
6.如權利要求1所述的碳納米管紙的製備方法，其特徵在於，它包括如下步驟a、將所述比例的碳納米管倒入含20% 50%(重量)活性劑的水溶液中，利用超聲波震蕩並攪拌O. 5 5h,形成分散均勻的碳納米管懸浮液。b、將碳納米管懸浮液通過磁性過濾器過濾，得到濾餅；C、將濾餅用有機溶劑的水溶液洗滌，去除濾餅表面殘留的活性劑；d、將步驟(c)得到的濾餅通入到惰性氣體中持續加熱4 6h，最終得到碳納米管形狀及結構無損的碳納米管紙。
7.如權利要求6所述的碳納米管紙的製備方法，其特徵在於，步驟(a)中，所述活性劑為Triton X-100、十六烷基三甲基溴化銨、吐溫-80中的一種或幾種的組合。
8.如權利要求6所述的碳納米管紙的製備方法，其特徵在於，步驟(c)中，所述有機溶劑為乙醇、無水乙醇、異丙醇、甲苯、乙醯化丙酮、二甲基醯胺中一種或幾種的組合。
9.如權利要求6所述的碳納米管紙的製備方法，其特徵在於，步驟(d)中，所述惰性氣體為氬氣或氮氣。
10.如權利要求6所述的碳納米管紙的製備方法，其特徵在於，步驟(d)中，所述加熱溫度為 150°C 550°C。
全文摘要
本發明提供了一種碳納米管紙及其製備方法，本發明的碳納米管紙是將碳納米管混合到活性劑中通過超聲震蕩並攪拌先得到碳納米管的懸浮液，然後將懸浮液通過洗滌及磁性過濾器過濾，最後經持續加熱而得到的一種碳納米管結構和形狀無損且排列緊密的碳納米管紙。本發明的碳納米管紙具有結構完整，排列均勻緊密，導電率高、機械強度好等特點，且其形狀、尺寸及厚度可通過控制原料配比加以控制，從而制出符合需要的不同碳納米管紙。本發明的碳納米管紙可用作超級電容器、鋰離子電極的陽極材料、納濾膜、傳感器及電化學合成中的電極材料，具有良好的應用前景。
文檔編號B82Y40/00GK103030133SQ201210590418
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月30日 優先權日2012年12月30日
發明者郜天宇, 梁穎, 徐麗麗 申請人:深圳市納米港有限公司