CN101407312B - 碳纳米管薄膜的制备装置及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳纳米管薄膜的制备装置，包括一样品台，进一步包括一基条供给装置、一载物装置及一拉伸装置依次设置于样品台一侧，其中该基条供给装置与该样品台相邻，该载物装置设置在该基条供给装置和该拉伸装置之间。一种制备碳纳米管薄膜的方法，包括：提供一碳纳米管阵列形成于基底上，将该基底固定于样品台上；从上述碳纳米管阵列预拉出一段碳纳米管薄膜，将此碳纳米管薄膜一端粘附于基条供给装置提供的第一基条上；将上述第一基条固定于拉伸装置上，拉伸上述碳纳米管薄膜；将碳纳米管薄膜粘附于基条供给装置提供的第二基条上；提供一支撑体于载物台上，将第一基条与第二基条之间的碳纳米管薄膜粘附于支撑体上；在第一基条与支撑体之间及第二基条与支撑体之间截断碳纳米管薄膜。

Description

碳纳米管薄膜的制备装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及一碳纳米管薄膜的制备装置及其制备方法。
背景技术
碳纳米管是九十年代初才发现的一种新型一维纳米材料(请参见“Helical microtubules of graphitic carbon”，S Iijima，Nature，vol.354，p56(1991))。碳纳米管的特殊结构决定了其具有特殊的性质，如高抗张强度和高热稳定性；随着碳纳米管螺旋方式的变化，碳纳米管可呈现出金属性或半导体性等。由于碳纳米管具有理想的一维结构以及在力学、电学、热学等领域优良的性质，其在材料科学、化学、物理学等交叉学科领域已展现出广阔的应用前景，在科学研究以及产业应用上也受到越来越多的关注。
虽然碳纳米管性能优异，具有广泛的应用，但是一般情况下制备得到的碳纳米管为颗粒状或粉末状，这对人们的应用造成了很多不便。为便于应用，需将碳纳米管制成碳纳米管薄膜。
现有的制备碳纳米管薄膜的方法主要包括：直接生长法；喷涂法或朗缪尔·布洛节塔(Langmuir Blodgett，LB)法。其中，直接生长法一般通过控制反应条件，如以硫磺作为添加剂或设置多层催化剂等，通过化学气相沉积法直接生长得到碳纳米管薄膜结构。喷涂法一般通过将碳纳米管粉末形成水性溶液并涂覆于一基材表面，经干燥后形成碳纳米管薄膜结构。然而，通过直接生长法或喷涂法获得的碳纳米管薄膜结构中，碳纳米管往往容易聚集成团导致薄膜厚度不均。
LB法一般通过将一碳纳米管溶液混入另一具有不同密度之溶液(如有机溶剂)中，利用分子自组装运动，碳纳米管浮出溶液表面形成碳纳米管薄膜结构(请参见“Homogeneous and structurally controlled thin films ofsingle-wall carbon nanotubes by the Langmuir-Blodgett technique”，Y.Kim，Synthetic metals，vol.135，p747(2003))。通过LB法制备得到的碳纳米管薄膜结构一般为均匀网状结构，碳纳米管分散均匀，不团聚，但是，碳纳米管在薄膜中仍然为无序排列，不利于充分发挥碳纳米管的性能，其应用仍然受到限制。
另外，上述几种制备碳纳米管薄膜的方法，均处于实验室阶段，试验条件要求较高，操作复杂，且无法实现连续化生产。
因此，确有必要提供一种碳纳米管薄膜的制备装置及制备方法，其操作简单，可以较大批量的生产碳纳米管薄膜，且碳纳米管在薄膜中均匀分散且择优取向排列。
发明内容
一种碳纳米管薄膜的制备装置，包括一样品台，进一步包括一基条供给装置、一载物装置及一拉伸装置依次设置于样品台一侧，其中该基条供给装置与该样品台相邻，该载物装置设置在该基条供给装置和该拉伸装置之间。
一种制备碳纳米管薄膜的方法，包括：提供一碳纳米管阵列形成于基底上，将该基底固定于样品台上；从上述碳纳米管阵列预拉出一段碳纳米管薄膜，将此碳纳米管薄膜一端粘附于基条供给装置提供的第一基条上；将上述第一基条固定于拉伸装置上，拉伸上述碳纳米管薄膜；将碳纳米管薄膜粘附于基条供给装置提供的第二基条上；提供一支撑体于载物台上，将第一基条与第二基条之间的碳纳米管薄膜粘附于支撑体上；在第一基条与支撑体之间及第二基条与支撑体之间截断碳纳米管薄膜。
与现有技术相比较，所述的碳纳米管薄膜制备装置及其制备方法，通过电脑程序控制即可以实现半自动化地大批量连续地生产碳纳米管薄膜。另外，由于利用机械拉力从碳纳米管阵列中直接拉出制得碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜中的碳纳米管通过范德华力结合，因此碳纳米管在薄膜中均匀分散，且择优取向排列。
附图说明
图1为本技术方案的碳纳米管薄膜制备装置示意图。
图2为采用图1中的碳纳米管薄膜制备装置制备碳纳米管薄膜的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本技术方案作进一步的详细说明。
请参见图1，本技术方案提供一种碳纳米管薄膜制备装置100，其包括一样品台110，一基条供给装置120，一载物装置130及一拉伸装置140，其中基条供给装置120、载物装置130及拉伸装置140依次设置在样品台110的一侧，基条供给装置120与样品台110相邻，载物装置130设置于基条供给装置120与拉伸装置140之间。所述基条供给装置120、载物装置130和拉伸装置140设置于所述样品台110同一侧的同一方向。
所述样品台110为一固定装置，该样品台110包括一平面112，碳纳米管阵列116的基底114可固定在样品台110的平面122上，固定方式包括卡扣、粘结等。
所述基条供给装置120包括一供给台122，该基条供给装置120的供给台122可以沿垂直于水平面方向升降移动，该基条供给装置120的供给台122的升降移动可通过人工手动控制或者电脑程序控制，基条供给装置120可连续地供应基条设置于供给台122上。使用时，预先从固定在样品台110的平面112上的碳纳米管阵列116中拉取一段碳纳米管薄膜118粘附于基条供给装置120所提供的第一基条124上。通过拉伸第一基条124沿着碳纳米管薄膜118的拉伸方向拉长碳纳米管薄膜118，拉伸碳纳米管薄膜118至一预定长度后，将该基条供给装置120提供的第二基条126与被拉长后的碳纳米管薄膜118接触并粘附，在第一基条124与第二基条126之间的碳纳米管薄膜118被截断后，第二基条126可继续维持碳纳米管薄膜118拉出的状态及碳纳米管薄膜118的完整性，以便继续从碳纳米管阵列116中继续拉出并拉伸碳纳米管薄膜118。基条供给装置120通过持续的供应基条与碳纳米管薄膜118接触并粘附，以维持碳纳米管薄膜118的拉伸状态，保证碳纳米管薄膜118的持续拉伸。
所述载物装置130包括一载物台132，该载物装置130与基条供给装置120位于样品台110的同一侧，基条供给装置120位于样品台110与载物装置130之间，该载物装置130设置于碳纳米管薄膜的拉出方向上。载物装置130可以沿碳纳米管薄膜的拉出方向水平移动，载物装置130的载物台132可以围绕其中心轴水平360°转动，也可以沿垂直于水平面方向上下升降移动。载物装置130和载物台132的移动均通过电脑程序控制。使用时，将一支撑体134设置于载物装置130的载物台132上，移动载物装置130和载物台132，使支撑体134与碳纳米管薄膜118的底部充分接触，将碳纳米管薄膜118粘附于支撑体134上。同时，可以调控载物台132的转动，使支撑体134多次以不同的角度与碳纳米管薄膜118接触并粘附。
所述拉伸装置140包括一固定器142，其与基条供给装置120和载物装置130位于样品台110的同一侧，其中，载物装置130位于基条供给装置120与拉伸装置140之间。所述固定器142可为一U型夹，其开口端朝向碳纳米管阵列116，开口端的宽度可调节。所述固定器142通过水平移动控制碳纳米管薄膜118的拉出方向，也可以垂直于水平面上下移动，固定器142的移动方向和移动速度可通过电脑程序控制。使用时，固定器142可夹住基条124的两端，顺着碳纳米管薄膜118的拉出方向方向水平拉伸碳纳米管薄膜118。
请参见图2，本发明提供一种使用上述碳纳米管薄膜制备装置100制备碳纳米管薄膜的方法，其包括以下步骤：
(一)提供一碳纳米管阵列116形成于基底114上，将该基底114固定于样品台110上。
本实施例中，所述碳纳米管阵列116为一超顺排碳纳米管阵列，该超顺排碳纳米管阵列118的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：提供一平整基底114，该基底114可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；在基底114表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一；将上述形成有催化剂层的基底114在700～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；将处理过的基底114置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500～740℃，然后通入碳源气体反应约5～30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列。该超顺排碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列，其高度为200～400微米。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该碳纳米管阵列114中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。
本实施例中碳源气可选用乙炔等化学性质较活泼的碳氢化合物，保护气体可选用氮气、氨气或惰性气体。
将上述碳纳米管阵列116的基底114固定于样品台110上。可以选用胶带、粘结剂等固定基底114于样品台110上。
(二)从上述碳纳米管阵列114中预先拉出一段碳纳米管薄膜118，将此碳纳米管薄膜118一端粘附于基条供给装置120提供的第一基条124上。
采用胶带从上述碳纳米管阵列114中选定一定宽度的多个碳纳米管片断，以一定的速度和角度拉伸出多个碳纳米管片断形成一连续的碳纳米管薄膜118。所述角度为碳纳米管薄膜118与碳纳米管阵列114生长方向之间的夹角，范围为30°-90°，本实施例优选的角度为85°。调整基条供给装置120的高度，将此碳纳米管薄膜118的底部与基条供给装置120所提供的第一基条124接触并粘附，使碳纳米管薄膜118处于拉伸状态。
在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片断在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片断分别与其他碳纳米管片断首尾相连地连续地被拉出，从而形成一碳纳米管薄膜118。该碳纳米管薄膜118为定向排列的多个碳纳米管束首尾相连形成的具有一定宽度的碳纳米管薄膜。该碳纳米管薄膜118中碳纳米管的排列方向基本平行于碳纳米管薄膜118的拉伸方向。
本实施例中，该碳纳米管薄膜118的宽度与碳纳米管阵列116所生长的基底114的尺寸有关，该碳纳米管薄膜118的长度不限，可根据实际需求制得。本实施例中采用4英寸的基底114生长超顺排碳纳米管阵列，该碳纳米管薄膜118的宽度可为1cm～10cm，厚度为0.01～100微米。
所述基条材料包括金属、玻璃、橡胶或塑料等物质，优选地，本实施例中基条为金属，该基条设置于基条供给装置120的供给台122上，基条可脱离基条供给装置120自由移动，基条的长度大于等于碳纳米管薄膜的宽度。
由于本实施例步骤(一)中所提供的超顺排碳纳米管阵列116中的碳纳米管非常纯净，且由于碳纳米管本身的比表面积非常大，所以该碳纳米管薄膜118本身具有较强的粘性，故碳纳米管薄膜118可利用其本身的粘性直接粘附于基条上。
(三)将上述第一基条124固定于拉伸装置140上，拉伸上述碳纳米管薄膜118。
移动拉伸装置140上的固定器142，使其靠近第一基条124；使用固定器142将该第一基条124固定于拉伸装置140上，调整拉伸装置140，使其沿垂直于碳纳米管阵列116生长方向继续拉伸上述碳纳米管薄膜118至载物装置130与拉伸装置140之间。
本实施例中，所述固定器142为一U型夹，其开口端的宽度可调节。将此U型夹固定器142移至第一基条124处，使该第一基条124处于U型夹开口处，调整此U型夹开口的宽度使其夹住第一基条124长度方向的两端，将第一基条124固定在拉伸装置140上。
调整拉伸装置140上固定器142的位置，沿基条供给装置120、载物装置130及拉伸装置140所在的方向，远离碳纳米管阵列114水平拉伸碳纳米管薄膜118至载物装置130与拉伸装置140之间。
(四)将碳纳米管薄膜118粘附于基条供给装置120提供的第二基条126上。
基条供给装置120提供一第二基条126，调节基条供给装置120的高度，将第二基条126粘附于所述碳纳米管薄膜118的底部。
此时，第一基条124与第二基条126之间的碳纳米管薄膜118处于悬空状态。
(五)提供一支撑体134设置于载物台132上，将第一基条124与第二基条126之间的碳纳米管薄膜118粘附于支撑体134上。
所述支撑体134为具有一定形状的起支撑碳纳米管薄膜118的基材，可以为基板或者固定框架结构。本实施例支撑体134为一方形基板。
所述支撑体134可选自任何材料如金属、塑料、橡胶或玻璃等，优选地，本实施例支撑体134材料选自金属。
将支撑体134放置于载物装置130的载物台132上，调整载物台132的位置，使支撑体134位于所述第一基条124与第二基条126之间的碳纳米管薄膜118的下方；调整载物台132与固定器142的高度，使碳纳米管薄膜118底部与支撑体134充分接触，将第一基条124与第二基条126之间的碳纳米管薄膜118粘附于支撑体134上。
(六)在第二基条126与支撑体134之间及上述第一基条124与支撑体134之间截断碳纳米管薄膜118。
在第二基条126与支撑体134之间及上述第一基条124与支撑体134之间截断碳纳米管薄膜118，此时，在支撑体134上形成一单层碳纳米管薄膜结构。
第二基条126使碳纳米管薄膜118继续维持一拉伸状态，可重复步骤(三)、(四)、(五)、(六)，在不更换支撑体134的情况下，可将多层碳纳米管薄膜118粘附于支撑体134上；由于载物台132可360°转动，因此可转动支撑体134，调节支撑体134上相邻两层碳纳米管薄膜的叠加角度，获得一碳纳米管多层膜结构，其具体包括以下步骤：
将上述第二基条126固定于拉伸装置140上，继续拉伸上述碳纳米管薄膜118；
将碳纳米管薄膜118粘附于基条供给装置120提供的第三基条上；
转动载物台132，调节支撑体134的角度，将第二基条126与第三基条之间的碳纳米管薄膜118粘附于支撑体134上；
在第二基条126与支撑体134之间及上述第三基条与支撑体134之间截断碳纳米管薄膜118。
可以理解，更换载物台上的支撑体，重复步骤(三)、(四)、(五)、(六)可连续制备多个单层碳纳米管薄膜。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (20)

1.一种碳纳米管薄膜的制备装置，包括一样品台，其特征在于进一步包括一基条供给装置、一载物装置及一拉伸装置依次设置于样品台同一侧，其中该基条供给装置与该样品台相邻，该载物装置设置在该基条供给装置和该拉伸装置之间。
2.如权利要求1所述的碳纳米管薄膜制备装置，其特征在于，所述基条供给装置、载物装置和拉伸装置设置于所述样品台同一侧的同一方向。
3.如权利要求1所述的碳纳米管薄膜制备装置，其特征在于，所述的样品台具有一平面，该平面上设置有一形成有碳纳米管阵列的基底。
4.如权利要求1所述的碳纳米管薄膜制备装置，其特征在于，所述基条供给装置沿垂直于水平面方向升降移动。
5.如权利要求1所述的碳纳米管薄膜制备装置，其特征在于，所述基条供给装置具有一供给台，该供给台上设置有基条。
6.如权利要求1所述的碳纳米管薄膜制备装置，其特征在于，所述载物装置包括一载物台，该载物台上设置有支撑体。
7.如权利要求2所述的碳纳米管薄膜制备装置，其特征在于，所述载物装置沿垂直于所述基条供给装置、载物装置和拉伸装置所在的方向移动。
8.如权利要求6所述的碳纳米管薄膜制备装置，其特征在于，所述载物台围绕其中心轴水平360°转动。
9.如权利要求6所述的碳纳米管薄膜制备装置，其特征在于，所述载物台沿垂直于水平面方向升降移动。
10.如权利要求2所述的碳纳米管薄膜制备装置，其特征在于，所述拉伸装置包括一固定器。
11.如权利要求10所述的碳纳米管薄膜制备装置，其特征在于，所述固定器沿所述基条供给装置、载物装置和拉伸装置所在的方向移动。
12.如权利要求10所述的碳纳米管薄膜制备装置，其特征在于，所述固定器沿垂直于水平面方向升降移动。
13.一种碳纳米管薄膜的制备方法，包括：
提供一碳纳米管阵列形成于基底上，将该基底固定于样品台上；
从上述碳纳米管阵列预拉出一段碳纳米管薄膜，将此碳纳米管薄膜一端粘附于基条供给装置提供的第一基条上；
将上述第一基条固定于拉伸装置上，沿碳纳米管薄膜拉出的方向拉伸上述碳纳米管薄膜；
将碳纳米管薄膜粘附于基条供给装置提供的第二基条上；
提供一支撑体于载物台上，将碳纳米管薄膜粘附于支撑体上；
以及，在第一基条与支撑体之间及第二基条与支撑体之间截断碳纳米管薄膜。
14.如权利要求13所述碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：
将上述第二基条固定于拉伸装置上，继续拉伸上述碳纳米管薄膜；
将碳纳米管薄膜粘附于基条供给装置提供的第三基条上；
转动载物台，调节支撑体的角度，将第二基条与第三基条之间的碳纳米管薄膜粘附于支撑体上；
在第二基条与支撑体之间及上述第三基条与支撑体之间截断碳纳米管薄膜。
15.如权利要求14所述碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于，所述载物台的旋转角度为0°-360°。
16.如权利要求13所述碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管阵列为一超顺排碳纳米管阵列。
17.如权利要求13所述碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一基条及第二基条材料为金属、玻璃、橡胶或塑料。
18.如权利要求13所述碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于，所述支撑体形状为基板或固定框架。
19.如权利要求13所述碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于，所述支撑体材料为金属、玻璃、橡胶或塑料。
20.如权利要求13所述碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于，拉伸装置拉伸碳纳米管薄膜的方向与碳纳米管阵列的生长方向之间的夹角为30°-90°。
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