CN101734644B - 碳纳米管膜的拉伸方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纳米管膜的拉伸方法，其包括以下步骤：提供至少一碳纳米管膜及至少一弹性支撑体；将所述至少一碳纳米管膜至少部分固定设置于该至少一弹性支撑体；以及拉伸该弹性支撑体。

Description

碳纳米管膜的拉伸方法

技术领域

本发明涉及一种纳米材料膜的拉伸方法，尤其涉及一种碳纳米管膜的拉伸方法。

背景技术

碳纳米管(Carbon Nanotube，CNT)是一种新型碳材料，1991年由日本研究人员Iijima在实验室制备获得(请参见，Helical Microtubules of GraphiticCarbon，Nature，V354，P56～58(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，包括场发射平板显示，电子器件，原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)针尖，热传感器，光学传感器，过滤器等。

虽然碳纳米管性能优异，具有广泛的应用前景，但是，由于碳纳米管为纳米级，大量碳纳米管易团聚，不易分散形成均匀的宏观的碳纳米管结构，从而限制了碳纳米管在宏观领域的应用。因此，如何获得宏观的碳纳米管结构是纳米领域研究的关键问题。

为了制成宏观的碳纳米管结构，先前的方法主要包括：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。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。

然而，上述制备碳纳米管结构的方法通常步骤较为繁杂，且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。碳纳米管在碳纳米管结构中为无序排列，不利于充分发挥碳纳米管的性能。

为克服上述问题，申请人于2002年9月申请的ZL02134760.3号专利中揭示了一种简单的获得有序的碳纳米管结构的方法。该碳纳米管结构为一连续的碳纳米管绳，其为直接从一超顺排碳纳米管阵列中拉取获得。所制备的碳纳米管绳中的碳纳米管首尾相连且通过范德华力紧密结合。该碳纳米管绳的长度不限。其宽度与碳纳米管阵列所生长的基底尺寸有关。进一步地，所述碳纳米管绳包括多个首尾相连的碳纳米管片段，每个碳纳米管片段具有大致相等的长度且每个碳纳米管片段由多个相互平行的碳纳米管构成，碳纳米管片段两端通过范德华力相互连接。

Baughma，Ray，H.等人2005于文献“Strong，Transparent，Multifunctional，Carbon Nanotube Sheets”Mei Zhang，Shaoli Fang，Anvar A.Zakhidov，Ray H.Baughman，etc..Science，Vol.309，P1215-1219(2005)中揭示了一种碳纳米管膜的制备方法。所述碳纳米管膜同样可从一碳纳米管阵列中拉取制备。该碳纳米管阵列为一生长在一基底上的碳纳米管阵列。所述碳纳米管膜的长度不限。然而，上述两种方式制备的碳纳米管膜或绳的宽度均受所述碳纳米管阵列生长基底的尺寸的限制(现有的用于生长碳纳米管阵列的基底一般为4英寸)，无法制备大面积碳纳米管膜。另外，所制备的碳纳米管膜的透光度不够好。

因此，确有必要提供一种碳纳米管膜的拉伸方法，该拉伸方法可制备大面积且具有较好的透光度的碳纳米管膜。

发明内容

一种碳纳米管膜的拉伸方法，其包括以下步骤：提供至少一碳纳米管膜及至少一弹性支撑体；将所述至少一碳纳米管膜至少部分固定设置于该至少一弹性支撑体；以及拉伸该弹性支撑体。

本技术方案提供的碳纳米管膜的拉伸方法具有以下优点：其一，所述拉伸碳纳米管膜的方法为通过将碳纳米管膜至少部分固定设置在一弹性支撑体上，拉伸该弹性支撑体，该拉伸方法简单、成本较低。其二，本技术方案提供的拉伸后的碳纳米管膜具有较好的透光度，可广泛应用于对透光度具有较高要求的装置中，如触摸屏等。其三，所述碳纳米管膜具有较好的拉伸性能，故所述碳纳米管膜可用于弹性可拉伸元件及设备中。其四，本技术方案提供的碳纳米管膜的拉伸方法可用于制备大尺寸碳纳米管膜，进而有利于扩大碳纳米管膜在大尺寸装置中的应用。

附图说明

图1是本技术方案实施例碳纳米管膜的结构示意图。

图2是图1中的局部放大结构示意图。

图3是本技术方案实施例拉伸前碳纳米管膜的扫描电镜照片。

图4是本技术方案实施例拉伸后碳纳米管膜的扫描电镜照片。

图5是本技术方案实施例碳纳米管膜的拉伸方法流程图。

图6是本技术方案实施例碳纳米管膜的拉伸示意图。

图7是本技术方案实施例碳纳米管膜拉伸前后透光度对比示意图。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本技术方案实施例碳纳米管膜及其拉伸方法。

请参阅图1至图4，本技术方案实施例提供一种碳纳米管膜10。该碳纳米管膜10包括多个碳纳米管100。该碳纳米管中的部分碳纳米管首尾相连形成一碳纳米管线102。所述碳纳米管线102中的碳纳米管可沿碳纳米管线的轴向排列，且碳纳米管之间通过范德华力紧密连接。所述碳纳米管膜10包括多个并排且间隔设置的碳纳米管线102。碳纳米管线102之间通过范德华力紧密连接。所述碳纳米管线102均匀分布在碳纳米管膜10中且沿第一方向排列。该第一方向为D1方向。相邻的碳纳米管线102之间包括至少一个碳纳米管104。该部分碳纳米管104的排列方向不限。该部分碳纳米管104可与至少两个相互并排设置的碳纳米管线102接触。进一步地，所述碳纳米管线102之间可包括多个首尾相连的碳纳米管104。所述多个碳纳米管线102之间有间距106，且相邻两个碳纳米管线102之间的距离在受力后发生变化。所述多个碳纳米管线102和碳纳米管线102之间的碳纳米管104形成一具有自支撑结构的碳纳米管膜10。所谓自支撑结构的碳纳米管膜10即所述碳纳米管膜10只需部分设置在一支撑体上即可维持其膜状结构，且碳纳米管膜10本身的结构不会发生变化。如将所述碳纳米管膜10设置在一框架或两个间隔设置的支撑结构上，位于中间未与框架或支撑结构接触的碳纳米管膜10可悬空设置。

所述碳纳米管膜10在垂直于碳纳米管线102的方向上受力后发生形变。该垂直于碳纳米管线102的方向为D2方向。该D2方向垂直于D1方向。当所述碳纳米管膜10在D2方向上被拉伸时，碳纳米管膜10发生形变，碳纳米管线102之间的距离发生变化。具体地，所述碳纳米管线102之间的距离随碳纳米管膜10形变率的增加而增大。所述碳纳米管膜10在D2方向的形变率小于等于300％。所述相邻的碳纳米管线102之间的距离大于0微米且小于等于50微米。该相邻的碳纳米管线102之间的距离随碳纳米管膜10的形变率的增加而增大。所述多个碳纳米管线102可形成一碳纳米管束。

所述碳纳米管膜10的长度、宽度及厚度不限，可根据实际需求制备。所述碳纳米管膜10的厚度优选为大于等于0.5纳米且小于等于1毫米。所述碳纳米管膜10中的碳纳米管100的直径大于等于0.5纳米且小于等于50纳米。所述碳纳米管100的长度为大于等于50微米且小于等于5毫米。

所述碳纳米管膜10在D2方向上的形变率与碳纳米管膜10的厚度及密度有关。所述碳纳米管膜10的厚度及密度愈大，其在D2方向上的形变率愈大。进一步地，所述碳纳米管膜10的形变率与碳纳米管线102之间的碳纳米管104的含量有关。在一定含量范围内，所述碳纳米管线102之间的碳纳米管104的含量越多，所述碳纳米管膜10在D2方向上的形变率越大。所述碳纳米管膜10在D2方向上的形变率小于等于300％。本技术方案实施例中，所述碳纳米管膜10的厚度为50纳米，其在D2方向上的形变率可达到150％。

所述碳纳米管膜10的透光度(光透过比率)与碳纳米管膜10的厚度及密度有关。所述碳纳米管膜10的厚度及密度越大，所述碳纳米管膜10的透光度越小。进一步地，所述碳纳米管膜10的透光度与碳纳米管线102之间的距离及相邻碳纳米管线102之间的碳纳米管104的含量有关。所述碳纳米管线102之间的距离越大，碳纳米管线102之间的碳纳米管104的含量越少，则所述碳纳米管膜10的透光度越大。所述碳纳米管膜10的透光度大于等于60％且小于等于95％。本技术方案实施例中，当碳纳米管膜10的厚度为50纳米时，拉伸前该碳纳米管膜10的透光度为大于等于67％且小于等于82％。当其形变率为120％时，所述碳纳米管膜10的透光度为大于等于84％且小于等于92％。以波长为550纳米的绿光为例，拉伸前所述碳纳米管膜10的透光度为78％，当形变率为120％时，该碳纳米管膜10的透光度可达89％。

由于所述碳纳米管膜10具有较好的拉伸性能，其可在D2方向发生形变，故所述碳纳米管膜10可广泛应用于弹性可拉伸元件和设备中。另外，本技术方案提供的碳纳米管膜10的拉伸方法避免了采用繁杂的工序和昂贵的设备如激光器对碳纳米管膜10进行后续处理来提高碳纳米管膜10透光度的步骤，其可广泛应用于对透光度具有较高要求的装置中，如触摸屏等。另外，所述碳纳米管膜10可用于发声装置中，且碳纳米膜管10在拉伸过程中不影响发声效果。

请同时参阅图5及图6，本技术方案实施例进一步提供一种拉伸碳纳米管膜10的方法，具体包括以下步骤：

步骤一：提供至少一碳纳米管膜10及至少一弹性支撑体20。

所述碳纳米管膜10的制备方法具体包括以下步骤：

首先，提供一碳纳米管阵列，优选地，该阵列为超顺排碳纳米管阵列。

所述碳纳米管阵列的制备方法可为化学气相沉积法。也可为石墨电极恒流电弧放电沉积法、激光蒸发沉积法等。

其次，采用一拉伸工具从所述碳纳米管阵列中拉取获得一碳纳米管膜10。

所述碳纳米管膜10的制备方法具体包括以下步骤：(a)从上述碳纳米管阵列中选定一定宽度的多个碳纳米管片断，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带接触碳纳米管阵列以选定一定宽度的多个碳纳米管片断；(b)以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列生长方向拉取该多个碳纳米管片断，以形成一连续的碳纳米管膜10。

在上述拉取过程中，该多个碳纳米管片段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它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膜10。本实施例中，该碳纳米管膜10的宽度与碳纳米管阵列所生长的基底的尺寸有关，该碳纳米管膜10的长度不限，可根据实际需求制得。该碳纳米管膜10的厚度与选取的碳纳米管片段有关，其厚度范围为0.5纳米～100微米。本技术方案实施例中，所述碳纳米管膜10的厚度为50纳米。

图3为碳纳米管膜10放大500倍的扫描电镜照片。该碳纳米管膜10包括多个碳纳米管线102并排且间隔设置。碳纳米管线102之间通过范德华力相互连接。所述碳纳米管线102均匀分布在碳纳米管膜10中且沿第一方向排列。该第一方向为碳纳米管膜的拉取方向，即D1方向。所述碳纳米管线102之间包括至少一个碳纳米管104。该部分碳纳米管104的排列方向不限。该部分碳纳米管104可与至少两个相邻的并排设置的碳纳米管线102接触。进一步地，所述碳纳米管线102之间可包括多个首尾相连的碳纳米管104。所述多个碳纳米管线102之间有距离，且该距离在受力后发生变化。所述多个碳纳米管线102和碳纳米管线102之间的碳纳米管104形成一具有自支撑结构的碳纳米管膜10。

所述碳纳米管膜10的透光度(光透过比率)与碳纳米管膜10的厚度及密度有关。所述碳纳米管膜10的厚度及密度越大，所述碳纳米管膜10的透光度越小。进一步地，所述碳纳米管膜10的透光度与相邻碳纳米管线102之间的距离及碳纳米管线102之间的碳纳米管104的含量有关。所述碳纳米管线102之间的距离越大，碳纳米管线102之间的碳纳米管104的含量越少，则所述碳纳米管膜10的透光度越大。请参阅图7，本技术方案实施例中，该直接制备的碳纳米管膜10的厚度为50纳米，其透光度大于等于67％且小于等于82％。

所述弹性支撑体20具有较好的弹性。所述弹性支撑体20的形状和结构不限，其可为一平面结构或一曲面结构。所述弹性支撑体20包括一弹性橡胶、弹簧及橡皮筋中的一种或几种。该弹性支撑体20可用于支撑并拉伸所述碳纳米管膜10。

步骤二：将所述至少一碳纳米管膜10至少部分设置在所述至少一弹性支撑体20。

所述碳纳米管膜10可直接设置并贴合在弹性支撑体20的表面，此时，所述弹性支撑体20为具有一表面的基体。另外，所述碳纳米管膜10也可部分设置在所述弹性支撑体20的表面。如铺设在两个弹性支撑体20之间。由于碳纳米管具有极大的比表面积，在范德华力的作用下，该碳纳米管膜10本身有很好的粘附性，可直接设置在弹性支撑体20上。可以理解，为提高碳纳米管膜10与弹性支撑体20之间的结合力，所述碳纳米管膜10也可通过粘结剂固定于所述弹性支撑体20上。另外，可将所述多个碳纳米管膜10沿同一方向重叠铺设，形成一多层碳纳米管膜。相邻两层碳纳米管膜10中的第一碳纳米管的排列方向相同。当所述碳纳米管膜为从一碳纳米管阵列中直接拉取的碳纳米管膜时，多个碳纳米管膜可沿拉取方向重叠设置。重叠设置的碳纳米管膜具有较大的厚度，可提高碳纳米管膜的形变率。

本技术方案实施例中，将拉取获得的一碳纳米管膜10直接设置于两个弹性支撑体20上。请参阅图6，所述两个弹性支撑体20平行且间隔设置。所述两个弹性支撑体20均沿D2方向设置。所述碳纳米管膜10通过粘结剂设置在所述弹性支撑体20表面。该粘结剂为一层银胶。所述碳纳米管膜10沿D1方向的两端分别固定于该两个弹性支撑体20上。所述碳纳米管膜10在设置时，碳纳米管膜10中的碳纳米管线102沿一个弹性支撑体20至另一个弹性支撑体20的方向延伸。

步骤三：拉伸该弹性支撑体20。

具体地，可通过将上述弹性支撑体20固定于一拉伸装置(图未示)中，通过该拉伸装置拉伸该弹性支撑体20。本技术方案实施例中，可分别将两个弹性支撑体20的两端分别固定于拉伸装置上。

所述拉伸速度不限，可根据所要拉伸的碳纳米管膜10具体进行选择。拉伸速度太大，则碳纳米管膜10容易发生破裂。优选地，所述弹性支撑体20的拉伸速度小于10厘米每秒。本技术方案实施例中，所述弹性支撑体20的拉伸速度为2厘米每秒。

所述拉伸方向与至少一层碳纳米管膜10中的碳纳米管线102的排列方向有关。当所述碳纳米管膜10为直接拉取获得的一层碳纳米管膜10或沿同一方向重叠设置的多层碳纳米管膜时，所述拉伸方向为沿垂直于碳纳米管线102的方向或垂直于碳纳米管膜10的拉取方向，即D2方向。

由于所述至少一碳纳米管膜10固定在所述弹性支撑体20上，故在拉力的作用下，随着所述弹性支撑体20被拉伸，该碳纳米管膜10也随之被拉伸。当所述碳纳米管膜10在D2方向上被拉伸时，碳纳米管线102之间的距离发生变化。具体地，所述碳纳米管线102之间的距离随碳纳米管膜10形变率的增加而增大。由于碳纳米线102之间有距离，且碳纳米管线102之间有至少一个碳纳米管104，故被拉伸过程中，所述碳纳米管线102和其之间的碳纳米管104之间可维持范德华力连接，并排设置的碳纳米管线102之间的距离增大。其中，拉伸前所述并排设置的碳纳米管线102之间的距离大于0微米且小于10微米，拉伸后并排设置的碳纳米管线102之间的距离最大可达50微米。所述碳纳米管膜10仍维持膜状结构。当所述多个碳纳米管膜10重叠设置形成一多层碳纳米管膜时，由于该多层碳纳米管膜中的碳纳米管100分布更均匀、密度更大，故当对该多层碳纳米管膜进行拉伸时，可获得更高的形变率。所述碳纳米管膜10的形变率小于等于300％，且可基本维持碳纳米管膜10的形态。即所述碳纳米管膜10可在原有尺寸的基础上增加300％。本实施例中，所述碳纳米管膜10为单层碳纳米管膜，拉伸方向为沿垂直于碳纳米管线102的方向，即D2方向。所述碳纳米管膜10在D2方向上的形变率可达150％。图4为碳纳米管膜10拉伸120％时放大500倍的扫描电镜照片，从图中可以看出拉伸后的碳纳米管膜10相对拉伸前的碳纳米管膜10，并排设置的碳纳米管线102之间的距离变大。从图7中可以看出，当形变率为120％时，所述碳纳米管膜10对波长大于190纳米小于900纳米的光的透光度可达84％至92％。在拉伸过程中，所述碳纳米管膜10在拉伸方向上的电阻不发生变化。

进一步地，当形变率小于60％时，所述并排设置的碳纳米管线102之间的距离最大可达20微米。该拉伸后的碳纳米管膜10可在反向拉力的作用下逐渐回复为拉伸前的碳纳米管膜10。在回复的过程中，所述碳纳米管线102之间的距离逐渐减小，并排设置的碳纳米管线102之间的距离逐渐减下。故所述碳纳米管膜10可在拉力的作用下实现伸缩。所述碳纳米管膜10可广泛应用于可伸缩的装置中。

本技术方案实施例提供的碳纳米管膜10及其拉伸方法具有以下优点：其一，所述碳纳米管膜10可设置在一弹性支撑体20上被拉伸，进而制备大面积碳纳米管膜，且该碳纳米管膜的尺寸不受生长基底的限制。其二，所述拉伸碳纳米管膜10的方法为通过将所述碳纳米管膜10设置在一至少一弹性支撑体上20，拉伸该弹性支撑体20，该拉伸方法简单、成本较低。其三，本技术方案提供的碳纳米管膜10的拉伸方法避免了采用繁杂的工序和昂贵的设备(如激光器)对碳纳米管膜10进行后续处理来提高碳纳米管膜10透光度的步骤，其可广泛应用于对透光度具有较高要求的装置中，如触摸屏等。其四，由于所述碳纳米管膜10具有较好的拉伸性能，其可在垂直于碳纳米管线102的方向上被拉伸，故所述碳纳米管膜10可用于弹性可拉伸元件及设备中。其五，本技术方案拉伸碳纳米管膜10的方法有利于制备大尺寸碳纳米管膜，进而有利于扩大碳纳米管膜在大尺寸装置中的应用。

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 (11)

1.一种碳纳米管膜的拉伸方法，其包括以下步骤：

提供至少一碳纳米管膜及至少一弹性支撑体，所述至少一碳纳米管膜从一碳纳米管阵列中拉取获得；

将所述至少一碳纳米管膜至少部分固定设置于该至少一弹性支撑体；以及

拉伸该弹性支撑体，该弹性支撑体的拉伸方向与所述至少一碳纳米管膜的拉取方向相垂直。

2.如权利要求1所述的碳纳米管膜的拉伸方法，其特征在于，所述至少一碳纳米管膜直接设置并贴合在所述至少一弹性支撑体表面。

3.如权利要求1所述的碳纳米管膜的拉伸方法，其特征在于，所述至少一碳纳米管膜通过粘结剂至少部分固定设置于所述至少一弹性支撑体表面。

4.如权利要求1所述的碳纳米管膜的拉伸方法，其特征在于，进一步包括将拉取获得的至少一碳纳米管膜直接设置于所述至少一弹性支撑体。

5.如权利要求4所述的碳纳米管膜的拉伸方法，其特征在于，所述至少一碳纳米管膜为多个碳纳米管膜，所述多个碳纳米管膜可沿拉取方向重叠设置，形成一多层碳纳米管膜。

6.如权利要求1所述的碳纳米管膜的拉伸方法，其特征在于，所述弹性支撑体包括弹簧、弹性橡胶及橡皮筋中的一种或几种。

7.如权利要求6所述的碳纳米管膜的拉伸方法，其特征在于，所述弹性支撑体为平行且间隔设置的两个弹性支撑体，碳纳米管膜设置在两个弹性支撑体之间并通过该两个弹性支撑体支撑，且碳纳米管膜的设置方向为沿一个弹性支撑体向另一个弹性支撑体延伸。

8.如权利要求1所述的碳纳米管膜的拉伸方法，其特征在于，所述至少一弹性支撑体的拉伸速度小于10厘米每秒。

9.一种碳纳米管膜的拉伸方法，其包括以下步骤：

提供至少一碳纳米管膜，该至少一碳纳米管膜包括多个碳纳米管线并排且间隔设置，且相邻碳纳米管线之间包括至少一个碳纳米管，该多个碳纳米管线之间的距离受力后发生变化；

提供至少一弹性支撑体，所述至少一碳纳米管膜至少部分固定设置在该至少一弹性支撑体上；以及

拉伸该弹性支撑体，该弹性支撑体的拉伸方向与所述碳纳米管线的延伸方向垂直。

10.如权利要求1所述的碳纳米管膜的拉伸方法，其特征在于，所述碳纳米管膜包括多个碳纳米管线并排且间隔设置，且相邻碳纳米管线之间包括至少一个碳纳米管，该多个碳纳米管线之间的距离受力后发生变化。

11.如权利要求10所述的碳纳米管膜的拉伸方法，其特征在于，所述碳纳米管膜的拉取方向为所述碳纳米管线的延伸方向。

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