CN101913596B - 高取向碳纳米管薄膜的制备方法 - Google Patents

高取向碳纳米管薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高取向碳纳米管薄膜的制备方法，制备碳纳米管溶液并铺展到基片上制备，其特征在于碳纳米管溶液铺展到基片上时施加高压电场。通过施加高压电场、使用旋涂法或提拉法实现了碳纳米管的高取向排列，薄膜性能好，导电率提高了2～20倍，适用于单壁碳纳米管薄膜和高取向多壁碳纳米管薄膜的制备。

Description

高取向碳纳米管薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高取向碳纳米管薄膜的制备方法，属于膜材料制备领域。
背景技术
碳纳米管自1991年被Iijima发现以来，引起了很多科学工作者的兴趣。碳纳米管分为多壁碳纳米管(MWCNTs)和单壁碳纳米管(SWCNTs)，它是由多层或一层石墨围绕中心按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，每层碳纳米管是由碳原子通过sp2杂化与相邻3个碳原子构成六边形平面组成的圆柱面，但由于存在一定的曲率，也有一部分碳原子是sp3杂化。MWCNTs在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而MWCNTs的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与MWCNTs相比，SWCNTs是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。碳纳米管具有优良的力学性能，这是由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高强度(约为钢的100倍，而密度仅为钢的1/6)。碳纳米管还具有优良的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。此外，碳纳米管还具有特殊的导电性能，这是由于碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，共轭效应显著。这些优良的性能使得CNTs广泛应用在物理、化学、电子、生物等领域，然而很多应用都是以高碳纳米管取向排列为前提的。碳纳米管在器件中如果不能够取向排列，则其优势不能充分显现出来，严重阻碍了碳纳米管在各个领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高取向碳纳米管薄膜的制备方法，碳纳米管取向高，薄膜性能好，特别是薄膜的导电率显著提高。
本发明所述的高取向碳纳米管薄膜的制备方法，制备碳纳米管水溶液并铺展到基片上制备，其特征在于碳纳米管溶液铺展到基片上时施加高压电场。
其中：
取向碳纳米管薄膜制备方法使用通常的旋涂法或提拉法均可。
高压电场控制在1～1000kV/m适宜，高压电场施加时间为0.1秒～100小时。
将薄膜常规干燥：在真空干燥箱中干燥，温度100～120℃，时间为0.5～3小时。
碳纳米管水溶液的制备方法如下：
(1)将碳纳米管在强酸中超声处理0.1～100小时，经洗涤、过滤和干燥得到带有羟基和羧基的功能化碳纳米管；强酸优选浓硝酸和浓硫酸的混合酸，其体积比控制在1∶1～20。
(2)将功能化碳纳米管与去离子水共混，超声处理0.1～100小时，得到分散性很好的碳纳米管水溶液。功能化碳纳米管与去离子水的质量比控制为1∶5～10000较好。
本发明的原理是通过在碳纳米管的端部接枝羟基和羧基，使碳纳米管溶于水溶液或有机溶剂，并与其形成均一分散的溶液，溶液液滴在高压静电场的作用下高速拉伸，使碳纳米管在液体中产生取向，形成许多竖直的碳纳米管。实现高取向碳纳米管的原理是功能化的碳纳米管的端部带有极性基团，在高压电场的作用下会被拉伸发生取向排列，从而可以得到高取向的碳纳米管薄膜。
本发明的有益效果是：
通过施加高压电场、使用旋涂法或提拉法实现了碳纳米管的高取向排列，薄膜性能好，导电率提高了2～20倍，适用于单壁碳纳米管薄膜和高取向多壁碳纳米管薄膜的制备。
附图说明
图1、本发明采用旋涂法的步骤1示意图。
图2、本发明采用旋涂法的步骤2示意图。
图3、本发明采用旋涂法的步骤3示意图。
图4、高压电场强度对碳纳米管薄膜导电率的影响曲线图。
图1、图2、图3中：1、旋转涂层平台2、基片3、溶液4、电极E、电场。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述的高取向碳纳米管薄膜的制备方法，依次按照下列步骤进行：
(1)将碳纳米管在强酸中超声处理4小时，经洗涤、过滤和干燥得到带有羟基和羧基的功能化碳纳米管；其中强酸为浓硝酸和浓硫酸的混合酸，其体积比控制在1∶3。
(2)将功能化碳纳米管与去离子水共混，超声处理0.5小时，得到分散性很好的碳纳米管水溶液。功能化碳纳米管与去离子水的质量比控制为1∶5～10000。
(3)利用旋涂法将碳纳米管水溶液铺展到基片上时，施加高压电场100kV/m，时间45分钟。
(4)将上步骤中的薄膜在真空干燥箱中进行干燥，温度110℃，时间为1小时。
所得碳纳米管薄膜取向良好，其导电率提高5倍。
实施例2
本发明所述的高取向碳纳米管薄膜的制备方法，依次按照下列步骤进行：
(1)将碳纳米管在强酸中超声处理3.5小时，经洗涤、过滤和干燥得到带有羟基和羧基的功能化碳纳米管；其中强酸为浓硝酸和浓硫酸的混合酸，其体积比控制在1∶3。
(2)将功能化碳纳米管与去离子水共混，超声处理0.5小时，得到分散性很好的碳纳米管水溶液。功能化碳纳米管与去离子水的质量比控制为1∶50。
(3)利用旋涂法将碳纳米管水溶液铺展到基片上时，施加高压电场100kV/m，时间50分钟。
(4)将上步骤中的薄膜在真空干燥箱中进行干燥，温度110℃，时间为1.5小时。
所得碳纳米管薄膜取向良好，其导电率提高6倍。
实施例3
本发明所述的高取向碳纳米管薄膜的制备方法，依次按照下列步骤进行：
(1)将碳纳米管在强酸中超声处理4小时，经洗涤、过滤和干燥得到带有羟基和羧基的功能化碳纳米管；其中强酸为浓硝酸和浓硫酸的混合酸，其体积比控制在1∶3。
(2)将功能化碳纳米管与去离子水共混，超声处理0.5小时，得到分散性很好的碳纳米管水溶液。功能化碳纳米管与去离子水的质量比控制为1∶20。
(3)利用旋涂法将碳纳米管水溶液铺展到石英玻璃基片上时，用不同强度的高压电场对其处理1小时。
(4)将上述步骤中的薄膜在真空干燥箱中进行干燥，温度120℃，时间为0.8小时。
所得碳纳米管薄膜取向良好，导电性能显著提高，其导电率随着电场强度的增加而增加。导电率随电场强度的变化趋势如图4所示。
实施例4
本发明所述的高取向碳纳米管薄膜的制备方法，依次按照下列步骤进行：
(1)将碳纳米管在强酸中超声处理10小时，经洗涤、过滤和干燥得到带有羟基和羧基的功能化碳纳米管；其中强酸为浓硝酸和浓硫酸的混合酸，其体积比控制在1∶2。
(2)将功能化碳纳米管与去离子水共混，超声处理5小时，得到分散性很好的碳纳米管水溶液。功能化碳纳米管与去离子水的质量比控制为1∶100。
(3)利用旋涂法将碳纳米管水溶液铺展到基片上，施加高压电场50kV/m，时间2小时。
(4)将上述步骤中的薄膜在真空干燥箱中进行干燥，温度105℃，时间为2.5小时。
实施例5
本发明所述的高取向碳纳米管薄膜的制备方法，依次按照下列步骤进行：
(1)将碳纳米管在强酸中超声处理20小时，经洗涤、过滤和干燥得到带有羟基和羧基的功能化碳纳米管；其中强酸为浓硝酸和浓硫酸的混合酸，其体积比控制在1∶8。
(2)将功能化碳纳米管与去离子水共混，超声处理3小时，得到分散性很好的碳纳米管水溶液。功能化碳纳米管与去离子水的质量比控制为1∶80。
(3)利用旋涂法将碳纳米管水溶液铺展到基片上，施加高压电场60kV/m，时间3小时。
(4)将上述步骤中的薄膜在真空干燥箱中进行干燥，温度100℃，时间为3小时。
实施例6
本发明所述的高取向碳纳米管薄膜的制备方法，依次按照下列步骤进行：
(1)将碳纳米管在强酸中超声处理6小时，经洗涤、过滤和干燥得到带有羟基和羧基的功能化碳纳米管；其中强酸为浓硝酸和浓硫酸的混合酸，其体积比控制在1∶4。
(2)将功能化碳纳米管与去离子水共混，超声处理5小时，得到分散性很好的碳纳米管水溶液。功能化碳纳米管与去离子水的质量比控制为1∶12。
(3)利用旋涂法将碳纳米管水溶液铺展到基片上，施加高压电场20kV/m，时间12小时。
(4)将上述步骤中的薄膜在真空干燥箱中进行干燥，温度112℃，时间为2小时。

Claims (3)

1.一种高取向碳纳米管薄膜的制备方法，制备碳纳米管溶液并铺展到基片上制备，其特征在于碳纳米管溶液铺展到基片上时施加高压电场，高压电场控制在20～1000kV/m，高压电场施加时间为0.1秒～100小时，其中：
碳纳米管水溶液的制备方法如下：
(1)将碳纳米管在强酸中超声处理0.1～100小时，经洗涤、过滤和干燥得到带有羟基和羧基的功能化碳纳米管；
(2)将功能化碳纳米管与去离子水共混，超声处理0.1～100小时，得到分散性很好的碳纳米管水溶液。
2.根据权利要求1所述的高取向碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于强酸是浓硝酸和浓硫酸的混合酸，其体积比控制在1∶1～20。
3.根据权利要求2所述的高取向碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于功能化碳纳米管与去离子水的质量比控制为1∶5～10000。
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