CN100515923C

CN100515923C - 定向排列碳纳米管复合材料、制备方法及制备设备

Info

Publication number: CN100515923C
Application number: CNB2006100289568A
Authority: CN
Inventors: 郭敏
Original assignee: Shanghai Landu Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Landu Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2026-07-14
Also published as: CN1966395A

Abstract

本发明涉及一种定向排列碳纳米管复合材料、通过一种上述定向排列碳纳米管复合材的高速制备方法及制备设备，使用本发明的制取设备和方法可以高速度、大规模地生产定向排列的碳纳米管复合材料。

Description

定向排列碳纳米管复合材料、制备方法及制备设备

技术领域

本发明属于材料领域，它涉及一种定向排列碳纳米管复合材料、高速制备方法及制备设备。

背景技术

碳纳米管于1991年由S.Iijima发现，其直径比碳纤维小数千倍，其性能远优于现今普遍使用的玻璃纤维。其主要用途之一是作为聚合物复合材料的增强材料。

碳纳米管的力学性能相当突出。现已测出多壁纳米管的平均弹性模量为1.8TPa。碳纳米管的强度比弹性模量实验值为30-50GPa。尽管碳纳米管的拉伸强度如此之高，但它们的脆性不象碳纤维那样高。碳纤维在约1％变形时就会断裂，而碳纳米管要到约18％变形时才会断裂。碳纳米管的层间剪切强度高达500MPa，比传统碳纤维增强环氧树脂复合材料高一个数量级。

在电性能方面，碳纳米管用作聚合物的填料具有独特的优势。加入少量碳纳米管即可大幅度提高材料的导电性。与以往为提高导电性而向树脂中加入的碳黑相比，碳纳米管有高的长径比，因此其体积含量可比球状碳黑减少很多。多壁碳纳米管的平均长径比约为1000；同时，由于纳米管的本身长度极短而且柔曲性好，它们填入聚合物基体时不会断裂，因而能保持其高长径比。爱尔兰都柏林Trinity学院进行的研究表明，在塑料中含2％-3％的多壁碳纳米管使电导率提高了14个数量级，从10-12s/m提高到了102s/m。

碳纳米管已经在一些国家获得实际应用，例如美国RTP公司开发了一系列纳米管配混料，截止到2003年，可供的配混料类型有聚烯烃、聚酰胺、聚碳酸脂/ABS混合料、聚苯乙烯、聚碳酸脂、聚酯、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺和聚醚醚酮，其它聚合物共混料也在开发之中。用于航天工业中的聚合物，在飞行时外部气流与一般材料(如玻璃纤维)增强的树脂之间产生的摩擦常引起静电而干扰无线通讯。用碳纳米管增强工程塑料将可以在大幅度提高基体树脂力学性能的同时解决这一问题。美国国家航空与宇宙航行局(NASA)和休斯敦的Rice大学已在准备碳纳米管在航天领域与聚合物复合的首批应用。

然而。迄今为止，碳纳米管复合材料还仅限于实验室小量生产，还没有出现低成本、大规模的市场化生产技术和设备。

本发明提供一种碳纳米管复合材料及其有效的生产方法，其中碳纳米管有序排列，具有出色的物理性能，易于处理并适用于各种领域里如电子材料、电学材料、磁性材料、吸附过滤材料、纺织服装材料等。

发明内容

本发明目的是提供一种定向排列碳纳米管复合材料；

本发明的目的还通过一种上述定向排列碳纳米管复合材的高速制备方法及制备设备，使用本发明的制取设备和方法可以高速度、大规模地生产定向排列的碳纳米管复合材料。

本发明专利解决技术问题的技术方案如下：

本发明的定向排列碳纳米管复合材料，由基层1和碳纳米管2构成，基层1为各种固体材料、碳纳米管2为垂直于基层取向的碳纳米管，基层1与碳纳米管2之间依靠两者之间的物理和化学作用力粘合在一起；

所述的基层1采用铝等金属、各种可以熔融或溶解的高分子聚合物或其他可加工成具有一定粘性的流体的材料。所述的碳纳米管复合层2采用单臂或多臂碳纳米管。

所述的基层1与碳纳米管2的质量百分比组成为：

基层 70～99.9

碳纳米管 0.1～30。

所述的高分子聚合物溶液中，溶质与溶剂的质量百分比组成为：

溶质 1～30

溶剂 70～99。

所述的可溶性聚合物为聚乙稀、聚丙烯、聚酯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚乳酸、蚕丝、大豆纤维、牛奶纤维、动物皮毛、蜘蛛丝或纤维素等可溶性聚合物中的一种或一种以上。

所述的聚合物溶剂为可以溶解上述可溶性聚合物的有机溶剂中的一种或一种以上。如氯仿、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡络烷酮等。

所述的可熔融聚合物为聚乙稀、聚丙烯、聚酯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈或纤维素中的一种或一种以上。

所述的一种定向排列碳纳米管复合材料可以采用多种复合方式，将制取的一种定向排列碳纳米管复合材料的两层或多层同向放置，用基层1材料的流体灌注，待基层1的材料固化后即得到两层或多层复合的一种定向排列碳纳米管复合材料。

所述的定向排列碳纳米管复合材料可于电子材料、磁性材料、吸附过滤材料、储氢材料、弹性材料、建筑材料、航空材料、纺织服装材料、高强材料等用途。

本发明的定向排列碳纳米管复合材料高速制备设备，它由振动筛、电缆、振动电机、基槽、绝缘底座、高压静电发生器、密封绝缘外壳、气孔、密封绝缘套组成；所述的振动筛在密封绝缘外壳内的上部，基槽和托起基槽的绝缘底座设备在密封绝缘外壳内的底部，所述的振动筛与密封绝缘外壳外的振动电机通过电缆相连，振动筛的另一端连接接地线，与振动筛形成电场的基槽与密封绝缘外壳外的高压静电发生器通过高压电线连接；基槽的外部安装或不安装加热、保温或冷却装置。

所述的振动筛3的网目数为500～500000目。

所述的基槽4内部凹槽14的形状可以为条状、网格状、圆状、弧形、多边形或其他设计形状。

所述的基槽4内部凹槽14的形状和深浅决定了碳纳米管复合材料的最终形状和厚度。

所述的振动电机6为机械振动或超声振动电机，振动频率为10～500000赫兹。

所述的高压静电发生器10工作电压为0～200千伏。

所述的定向排列碳纳米管复合材料高速制取设备如有加热、保温、冷却需要可以在基槽4的外部安装加热、保温、冷却装置。

所述的定向排列碳纳米管复合材料高速制取设备如有气氛需要可通过气孔12向密封绝缘外壳内充入氮气、氢气等气氛。

在不需要使用时气孔12时，所述的密封绝缘套13可以将气孔12密封。

所述的定向排列碳纳米管复合材料高速制取设备还可以用于硅粉、陶瓷粉、银粉、珍珠粉等其他复合材料的高速制取。

所述的一种定向排列碳纳米管复合材料的制取方法为将碳纳米管置于振动筛3上，高压静电发生器10产生的高压静电使振动筛3与基槽4之间形成高压静电场，在振动电机6的作用下，碳纳米管均匀撒入振动筛3与基槽4形成的高压静电场内，随即在电场力的作用下沿电场力的方向发生取向，并迅速植入基槽4的凹槽14内的金属或高聚物熔体或高聚物溶液或胶体或其他具有一定粘性的材料中，将基层原料固化就得到了具有设计形状的一种定向排列碳纳米管复合材料。

将所述的固化的一种定向排列碳纳米管复合材料取出，重新向振动筛和基槽4的凹槽14内放入材料，即可进行下次制取。

所述的一种定向排列碳纳米管复合材料可以采用

与现有技术相比本发明的优点是：

本发明的材料性能优异、用途极其广泛；本发明所提供的制取设备可以高速规模化制取定向排列的碳纳米管复合材料；本发明所提供的制取设备还可以用于相似复合材料的规模化制取。

附图说明

图1是本发明一种定向排列碳纳米管复合材料的侧面示意图

图2是本发明一种定向排列碳纳米管复合材料的两层对称复合的示意图。

图3是本发明一种定向排列碳纳米管复合材料的三层复合的示意图。

图4是本发明一种定向排列碳纳米管复合材料的三层复合加工后的示意图。

图5是本发明一种定向排列碳纳米管复合材料的高速制备设备的示意图

图6是本发明一种定向排列碳纳米管复合材料的高速制取设备的基槽4的内部形状示意图

符号说明

附图中，1-基层，2-碳纳米管，3-振动筛，4-基槽，5-绝缘底座，6-振动电机，7-电缆，8-接地线，9-高压电线，10-高压静电发生器，11-绝缘外壳，12-气孔，13-密封绝缘套，14-基槽内的凹槽，15-基槽的壁。

具体实施方式

通过下述实施例将进一步说明本发明，但不能限制限于本发明的内容。

实施例中一种定向排列碳纳米管复合材料的高速制备设备如附图5-6所示。它包括振动筛3、一端与振动筛3相连，一端与振动电机6相连的电缆7、通过电缆7与振动筛相连的振动电机6、一端与振动筛3相连，一端接地的接地线8、与振动筛形成电场的基槽4、托起基槽4的绝缘底座5、一端与基槽4相连、一端与高压静电发生器10相连的高压电线9、通过高压电线与基槽4相连的高压静电发生器10、将振动筛3、基槽4和绝缘底座5绝缘密封的密封绝缘外壳11、密封绝缘外壳11上的气孔12、密封气孔12的密封绝缘套13。

实施例1

将5克多壁碳纳米管置于振动筛3上，通过气孔12向密封绝缘外壳11内充入氮气，用密封套13封住气孔12，作用电压高压50千伏静电发生器10产生的高压静电使振动筛3与基槽4之间形成高压静电场，振动电机作用频率为20千赫兹，在振动电机6的作用下，碳纳米管均匀撒入振动筛3与基槽4形成的高压静电场内，随即在电场力的作用下沿电场力的方向发生取向，并迅速植入基槽4内网状凹槽中铝液内，将铝液冷却固化就得到了网状的定向排列碳纳米管铝复合产品。

实施例2

将2克碳纳米管置于振动筛3上，作用电压70千伏的高压静电发生器10产生的高压静电使振动筛3与基槽4之间形成高压静电场，在振动频率为1000赫兹的振动电机6的作用下，碳纳米管均匀撒入振动筛3与基槽4形成的高压静电场内，随即在电场力的作用下沿电场力的方向发生取向，并迅速植入基槽4内网状凹槽中的聚丙烯腈溶液中，将聚丙烯腈溶液凝固就得到了具有线形的定向排列碳纳米管聚丙烯腈复合纤维，将碳纳米管聚丙烯腈复合材料碳化，可以得到复合碳纳米管的碳纤维。

Claims

1，一种定向排列碳纳米管复合材料制备设备，它由振动筛、电缆、振动电机、基槽、绝缘底座、高压静电发生器、密封绝缘外壳、密封绝缘外壳上的气孔和密封绝缘套组成；所述的振动筛在密封绝缘外壳内的上部，基槽和托起基槽的绝缘底座设备在密封绝缘外壳内的底部，所述的振动筛与密封绝缘外壳外的振动电机通过电缆相连，振动筛的另一端连接接地线，与振动筛形成电场的基槽与密封绝缘外壳外的高压静电发生器通过高压电线连接；基槽的外部安装或不安装加热、保温或冷却装置。

2，如权利要求1所述的一种定向排列碳纳米管复合材料制备设备，其特征是所述的振动筛的网目数为500～500000目。

3，如权利要求1所述的一种定向排列碳纳米管复合材料制备设备，其特征是所述的基槽内部凹槽的形状为条状、网格、圆状、弧形或多边形。

4，如权利要求1所述的一种定向排列碳纳米管复合材料制备设备，其特征是所述的振动电机是机械振动或超声振动电机，振动频率为10～500000赫兹。

5，如权利要求1所述的一种定向排列碳纳米管复合材料制备设备，其特征是所述的高压静电发生器工作电压为0～200千伏。

6，一种如权利要求1所述的一种定向排列碳纳米管复合材料制备设备生产的定向排列碳纳米管复合材料，其特征是由基层和碳纳米管构成，基层为各种固体材料、碳纳米管为垂直于基层取向的碳纳米管，基层与碳纳米管之间依靠两者之间的物理和化学作用力粘合在一起；

所述的基层是金属、各种可以熔融或溶解的高分子聚合物或其他可加工成具有一定粘性的流体的材料；

所述的碳纳米管复合层采用单臂或多臂碳纳米管；

所述的定向排列碳纳米管复合材料是单层、两层对称复合或多层复合；

所述的基层与碳纳米管的质量百分比组成为：基层70～99.9，碳纳米管0.1～30；

所述的高分子聚合物溶液中，溶质与溶剂的质量百分比组成为：溶质1～30，溶剂70～99；

所述的可溶性聚合物为聚乙稀、聚丙烯、聚酯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚乳酸、蚕丝、大豆纤维、牛奶纤维、动物皮毛、蜘蛛丝或纤维素等可溶性聚合物中的一种或一种以上；

7，一种如权利要求6所述的一种定向排列碳纳米管复合材料，其特征是所述的聚合物溶剂为溶解氯仿、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡络烷酮的一种或一种以上。

8，一种如权利要求6所述的一种定向排列碳纳米管复合材料制备方法，其特征是采用如权利要求1、2、3、4或5所述的设备，将碳纳米管置于振动筛上，高压静电发生器产生的高压静电使振动筛与基槽之间形成高压静电场，在振动电机的作用下，碳纳米管通过振动筛均匀撒入基槽，随即在电场力的作用下沿电场力的方向发生取向，并迅速植入基槽内的金属、高聚物熔体、高聚物溶液或胶体或其他具有一定粘性的材料中，固化获得具有设计形状的一种定向排列碳纳米管复合材料；或采用多种复合方式，将制取的一种定向排列碳纳米管复合材料的两层或多层同向放置，用基层材料的流体灌注，待基层的材料固化后即得到单层、两层或多层复合的一种定向排列碳纳米管复合材料；所述的基层、碳纳米管及它们的质量百分比如权利要求6所述。