CN101254914A - 一种纳米碳管大面积垂直取向的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米碳管大面积垂直取向的制备方法，是将纯化后的纳米碳管投入硝酸溶液，切断长径比大的纳米碳管后，与有机粘接剂混合成印刷浆料，用丝网印刷方法涂复在镀有ITO导电层的基板上，然后，将印刷有纳米碳管层的基板置高压电场装置中，同时用红外线灯烘烤加热，使其在电场力作用下垂直取向排列并且固化定型，再置于焙烧炉焙烧，挥发有机粘接剂，获得垂直取向的纳米碳管。本发明的方法具有可在大面积基板上获得碳纳米管垂直取向，制备温度低，方法简单，制造成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米碳管垂直取向的制备方法，特别涉及一种纳米碳管大面积垂直取向的制备方法。
背景技术
自从1991年Ii jima发现了纳米碳管(CNT)，它以其独特的准一维结构、优异的物理化学特性以及超强的力学性能，成为世界各国科学家的研究热点。纳米碳管(CNT)具有发射电子的特性，顶端直径为纳米量级(1～10nm)，可以比其它材料在较低的激发电场下发射电子，与其它的热电子、热离子电子发射情况不同的是，无需对CNT中的电子施加额外的能量(如光能、热能或者电能等)，从而形成了冷场致发射。用CNT制作场致发射冷阴极具有普通金属阴极场致发射所无法比拟的一些优点：形成的电场可以较容易地发射电子，低阴极功耗，无预热延迟，高密度集成化，发射电流密度大，电子初速分布窄，可在低电压下工作等，因此，CNT是Spindt金属微针尖的最佳替代者，被认为是理想的场致电子发射材料之一。目前有关CNT场发射性能方面的研究已成为该领域中的热门课题，CNT在场发射电子源、场发射平面显示器以及场发射器件等方面有着广阔的应用前景，尤其在场发射显示器(FED)中，由于它不仅可以提高场发射平面显示器的性能，如具有较低的开启电压和较大的场发射电流密度，而且能耗低、制造成本低，因此更被受到重视。
为进一步提高纳米碳管的场发射性能，研究人员进行了大量的实验，研究表明纳米碳管的场发射性能与它的取向有关，垂直于基板的纳米碳管具有较其他取向更大的场发射能力。目前制备垂直取向纳米碳管的定向生长方法是采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法获得。用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法制备垂直取向纳米碳管的缺点有二：1)PECVD法制备垂直取向纳米碳管必须在石英管中进行，由于石英管直径难以大的原因，获得纳米碳管垂直取向的基板面积甚小，一般不大于10×10cm；2)PECVD法定向生长纳米碳管的温度高于600℃，基板必须耐高温，现大多使用硅片作基板，价格昂贵。
发明内容
为了克服现有制备方法的不足，本发明提供一种纳米碳管大面积垂直取向的制备方法，它是采用一种高压电场处理方法，在不高于400℃的温度下使纳米碳管由原来的无序排列成为大部分乃至全部垂直取向。
本发明提供制备纳米碳管大面积垂直取向的方法，主要由以下三个步骤组成：1、印刷有纳米碳管层的基板；2、将印刷有纳米碳管层的基板放置在高压电场处理装置中，进行高压电场处理，在强电场力作用下，基板上纳米碳管层取向随机排列的纳米碳管大部分乃至全部变成垂直取向排列；3、高温焙烧高压电场处理后的基板，去除粘接剂中有机物，挥发有机粘接剂，获得大面积垂直取向的纳米碳管。
本发明提供制备纳米碳管大面积垂直取向的方法，其具体步骤是：
·将纯化后的纳米碳管投入硝酸溶液中，用水浴加热切断长径比大的纳米碳管，然后用去离子水冲洗、干燥；
·将切断后的纳米碳管与醋酸丁脂和硝化纤维素混合的有机粘接剂配制成浆料，然后用丝网印刷方法，将浆料印刷在镀有ITO导电层的基板上；
·将印刷有纳米碳管层的基板放置在高压电场装置中进行高压电场处理，同时加热烘烤，纳米碳管在电场力作用下垂直取向排列并固化定型；
·将固化定型后的基板置于焙烧炉中在空气气氛中加热焙烧，挥发去除有机粘接剂，获得大面积垂直取向的纳米碳管。
本发明所述的切断长径比大的纳米碳管所用的硝酸溶液浓度为60～69％，硝酸量以浸没纳米碳管为宜。水浴加热温度为70～80℃，时间60～90分钟。
本发明所述的有机粘接剂混合成的印刷浆料为：先将醋酸丁脂90～98重量％和硝化纤维素2～10重量％混合溶解成有机粘接剂，然后将有机粘接剂和纳米碳管按重量比90～98％和2～10％混合调制成浆料。
本发明所述的高压电场的电压为5～15KV，电场强度为2～5KV/cm，在高压电场中处理10～30分钟，。
本发明所述的加热烘烤为红外线灯加热，由室温加热至100～150℃，保温时间10～30分钟。
本发明所述的焙烧炉加热焙烧温度为350～400℃，保温时间20～40分钟。
在本发明所提供的制备纳米碳管大面积垂直取向过程中，高压电场是由高压处理装置实现，高压处理装置由直流可调高压电源、电压表、阳极金属板、阴极金属板和红外线灯组成，直流可调高压电源经导线连接金属板阳极和阴极，两块极板水平平行放置，间距2～5cm，金属极板的面积大于或等于印刷有纳米碳管层的基板面积。高压电场处理时，将印刷有纳米碳管层的基板置金属板阴极上，开启高压电源，同时加热烘烤若干时间，在强电场力作用下，原来印刷取向随机排列的纳米碳管大部分乃至全部直立而变成垂直取向排列。
本发明的有益效果是：可以在大面积基板上获得纳米碳管垂直取向，纳米碳管垂直取向的面积可大于20×25cm，制备温度低于400℃，由于制备温度低，基板可用玻璃等不耐高温材料，操作方法简单方便，制造成本低，制备过程易控制。
附图说明
图1是本发明中使用的高压处理装置示意图。
图中：1、阳极金属板，2、红外线灯，3、印刷的CNT涂层，4、镀有ITO膜的基板，5、阴极金属板，6、直流可调高压电源，7、电压表。
具体实施方式
实施例1
参见附图1，高压处理装置由直流可调高压电源6、电压表7、阳极金属板1、阴极金属板5和红外线灯2组成，直流可调高压电源6的输出端正、负极分别经导线连接阳极金属板1与阴极金属板5，两块极板水平平行放置，间距调节为4cm，金属极板的面积大于或等于印刷有纳米碳管层的基板面积。
制备步骤是：取纯化后的纳米碳管8克，加入浓度为65％硝酸溶液将其浸没，置水浴75℃加热80分钟，倒出纳米碳管，用去离子水冲洗、干燥之；然后将醋酸丁脂84.6克与硝化纤维素7.4克混合溶解成有机粘接剂，再与纳米碳管混合成印刷浆料，采用丝网印刷方法，将浆料印涂在面积为20×20cm镀有ITO导电层的玻璃基板4上，形成印刷的CNT涂层3，随即将印刷有纳米碳管层的玻璃基板4放置在高压处理装置中的阴极金属板5上，阳极金属板1和阴极金属板5间距调节为4cm，开启直流可调高压电源6，电压调至9KV(电场强度为2.25KV/cm)，同时用红外线灯2烘烤加热镀有ITO膜的基板4和印刷的CNT涂层3，由室温加热至120℃，保温时间20分钟，然后取出置于焙烧炉中焙烧，焙烧温度为360℃，保温时间25分钟，挥发有机粘接剂，获得垂直取向的纳米碳管。用扫描电子显微镜对纳米碳管垂直取向情况进行测定，结果显示基板平面上90％的纳米碳管垂直取向排列。
实施例2
用和实施例1相同的操作，不同处在于，纳米碳管8克与由醋酸丁脂144.5克与硝化纤维素7.5克混合溶解成有机粘接剂混合成印刷浆料，采用丝网印刷方法印涂在玻璃基板4上，高压处理装置的两金属板电极间距调节为3cm，直流可调高压电源6电压调至10KV(电场强度为3.3KV/cm)。用扫描电子显微镜对纳米碳管垂直取向情况进行测定，结果显示基板平面上纳米碳管的92％垂直取向排列。
实施例3
用和实施例1相同的操作，不同处在于印刷浆料配比为纳米碳管8克与由醋酸丁脂250.3克与硝化纤维素7.7克合成的有机粘接剂混合而成，高压处理装置两金属板电极间距调为2cm，直流可调高压电源6电压调至8KV(电场强度为4KV/cm)，加热温度至130℃，时间30分钟，焙烧温度为380℃，保温时间25分钟。用扫描电子显微镜对纳米碳管垂直取向情况进行测定，结果显示基板平面上96％的纳米碳管呈垂直取向排列。
Claims (8)
1、一种纳米碳管大面积垂直取向的制备方法，其步骤是：
·将纯化后的纳米碳管投入硝酸溶液中，用水浴加热切断长径比大的纳米碳管，然后用去离子水冲洗、干燥；
·将切断后的纳米碳管与由醋酸丁脂和硝化纤维素混合的有机粘接剂配制成浆料，用丝网印刷方法，将浆料印刷在镀有ITO导电层的基板上；
·将印刷有纳米碳管层的基板放置在高压电场装置中进行高压电场处理，同时加热烘烤，纳米碳管在电场力作用下垂直取向排列并固化定型；
·将固化定型后的基板置于焙烧炉中在空气气氛中加热焙烧，挥发去除有机粘接剂，获得大面积垂直取向的纳米碳管。
2、根据权利要求1所述的纳米碳管大面积垂直取向的制备方法，其特征是所述的硝酸溶液百分比浓度为60～69％，硝酸量浸没纳米碳管。
3、根据权利要求1所述的纳米碳管大面积垂直取向的制备方法，其特征是所述水浴加热温度为70～80℃，时间60～90分钟。
4、根据权利要求1所述的纳米碳管大面积垂直取向的制备方法，其特征是所述印刷浆料配制步骤，先将醋酸丁脂和硝化纤维素，按重量比90～98重量％和2～10重量％混合溶解成有机粘接剂；然后将有机粘接剂和纳米碳管，按重量比90～98％和2～10％混合调制成印刷浆料。
5、根据权利要求1所述的纳米碳管大面积垂直取向的制备方法，其特征是所述的加热烘烤为红外线灯加热，由室温加热至100～150℃，保温时间15～30分钟。
6、根据权利要求1所述的纳米碳管大面积垂直取向的制备方法，其特征是所述高压电场处理装置，由直流可调高压电源(6)、电压表(7)、金属板阳极(1)、金属板阴极(5)和红外线灯(2)组成，可调高压电源(6)输出端正、负极分别经导线连接阳极金属板(1)和阴极金属板(5)，两块极板水平平行放置，间距2～5cm之间可调，金属极板的面积大于或等于印刷有纳米碳管层(3)的基板(4)面积。
7、根据权利要求1或6所述的纳米碳管大面积垂直取向的制备方法，其特征是所述高压电场处理步骤：将印刷有纳米碳管层(3)的基板(4)放置在高压处理装置中阴极金属板(5)上，开启直流可调高压电源(6)，调节电压5～15KV，电场强度达到2～5KV/cm，同时红外线灯(2)加热烘烤，由室温加热至100～150℃，保温时间10～30分钟，在强电场力作用下，基板(4)上纳米碳管层(3)取向随机排列的纳米碳管大部分乃至全部变成垂直取向排列。
8、根据权利要求1所述的纳米碳管大面积垂直取向的制备方法，其特征是所述焙烧炉加热焙烧温度为350～400℃，保温时间20～40分钟。
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