CN102659092A - 一种简易可控的碳纳米管纸的制备装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种简易可控的碳纳米管纸的制备装置和方法。所述的简易可控的碳纳米管纸的制备方法，其特征在于，具体步骤为：将碳纳米管加入到可挥发性溶剂中，添加分散剂，在超声波振荡下，实现碳纳米管在可挥发性溶剂中的均匀分散；在卷绕辊的表面粘附一层与其形状相同的聚合物薄膜，再在薄膜上加盖一层镂空模具；通过喷枪将所得的碳纳米管分散液喷洒在转动的卷绕辊上，同时启动卷绕辊附近的加热装置，使附着的可挥发性溶剂挥发，连续进行喷洒、卷绕和挥发过程，脱模制得碳纳米管纸。本发明操作简单易行，便于控制；为自动化、产业化地制备碳纳米管纸及其相关产品带来了可能。

Description

一种简易可控的碳纳米管纸的制备装置和方法

技术领域

本发明涉及一种简易可控的碳纳米管纸的制备装置和方法，运用该方法制备的碳纳米管纸在传感器、电极、燃料电池和场发射显示器等领域有潜在应用。

背景技术

自1991年碳纳米管被日本学者发现以来，就因其独特的结构与性能引起人们的广泛关注。碳纳米管的拉伸强度很高，同时具有优异的导电性和导热性以及抗腐蚀性等被誉为“超级纤维”。碳纳米管因其具有优异的物理化学性能，在场发射，电池及超级电容器，传感器，高性能复合材料等领域具有很好的应用前景。到目前为止，由其组装而成的宏观结构有碳纳米管丝带、纤维、薄膜以及碳纳米管纸(也称为巴基纸)等。碳纳米管纸是由相互纠缠的碳纳米管，通过管与管之间的范德华力构成的像纸一样的碳纳米管薄层。

碳纳米管纸的一个主要应用领域是燃料电池，巴基纸可以用来制作电极、电容和电池主体，巴基纸电池无毒，散热性好，比笔记本电脑上使用的石墨电池更轻、更节能，将来可作为石墨电池的替代品大规模普及。更长远的计划是用巴基纸材料制造飞机、汽车，甚至制造装甲车和坦克以及“隐身”(反雷达)材料。

目前碳纳米管纸的制备方法主要有抽滤法，滚压法以及直接生长出碳纳米管纸的化学气相沉积法。抽滤法是将制备好的碳纳米管分散在液体溶剂中形成悬浮液，通过抽滤得到巴基纸的一种方法。这种传统方法制备的碳纳米管纸由杂乱无章的碳纳米管相互纠缠再形成，很难实现纳米管的有序排列，同时由于碳纳米管容易团聚在一起，使碳纳米管纸的性能较差。滚压法是用圆柱面直接将竖直排列的碳纳米管阵列按一定方向压倒形成碳纳米管纸。该方法需要采用成本很高且难于制备的碳纳米管阵列为碳管材料，但所得到的碳纳米管纸的机械性能的并不高，且巴基纸的尺寸受碳纳米管阵列尺寸规格限制。化学气相沉积法虽然能够获得具有一定取向度碳纳米管纸，但该方法制备工艺复杂并对设备要求较高。综上所述，传统的碳纳米管纸制备方法具有原材料成本高，工艺复杂或者所得碳纳米管纸性能差等缺点，限制了碳纳米管纸的进一步发展和广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种简易可控的碳纳米管纸的制备装置和方法，通过卷绕辊、气压式喷枪、加热装置的有效结合，并通过改变其工艺参数制备不同尺寸大小、不同厚度、不同时间产量的碳纳米管纸，该方法制备的碳纳米管纸可广泛应用于超级电容器、电池以及过滤材料中，亦可发展成为高性能、多功能的碳纳米管复合材料的制备方法，具有广阔的应用前景。

为了达到上述目的，本发明提供了一种简易可控的碳纳米管纸的制备装置，其特征在于，包括气压式喷枪、气压泵、卷绕辊和加热装置，所述的气压式喷枪连接气压泵。使用时，将分散好的碳纳米管分散液注入气压式喷枪中，并保证喷枪、卷绕辊、加热装置处于同一水平位置，调节好三者之间的水平距离。所述的喷枪进给量、卷绕辊直径及卷绕速度、加热装置的热效应要选取合适的工艺参数，以使溶剂的蒸发速度与单位时间喷洒量相互配合，不因过快的蒸发或过量的喷洒而影响生产效率或碳纳米管纸的品质。

优选地，所述的卷绕辊的材料为金属、高聚物或玻璃。

优选地，所述的卷绕辊连接控速电机。通过控速电机调节其转绕方向和转绕速度。

优选地，所述的气压式喷枪为单喷头喷枪或多喷头喷枪。

优选地，所述的气压式喷枪和加热装置分别设置在卷绕辊的两侧，二者处于同一水平位置。

本发明还提供了一种简易可控的碳纳米管纸的制备方法，其特征在于，采用上述的简易可控的碳纳米管纸的制备装置，具体步骤为：将碳纳米管加入到可挥发性溶剂中，添加分散剂，在超声波振荡下，实现碳纳米管在可挥发性溶剂中的均匀分散；在卷绕辊的表面覆盖一层镂空模具；通过喷枪将所得的碳纳米管分散液喷洒在转动的卷绕辊上，同时启动卷绕辊附近的加热装置，使可挥发性溶剂挥发，连续进行喷洒、卷绕和挥发过程，脱模制得碳纳米管纸。

通过调节气压泵的输出压大小来调节单位时间内碳纳米管分散液的喷洒量。喷枪的喷嘴到卷绕辊表面距离根据实际要求所定，一般情况下，制取宽度为5厘米(长度取决于卷绕辊直径)的碳纳米管纸，其距离控制在3-5厘米。加热装置的热效应根据卷绕辊的转速不同进行调节，加热装置距离卷绕辊表面3-5厘米，确保加热区的温度在60-80摄氏度。可调节气压式喷枪和加热装置相对水平放置，在工作时要确保已形成的碳纳米管层再次到达喷洒区时表面干燥，可挥发性溶剂已基本蒸发完毕。通过喷枪的持续喷洒和加热装置作用下溶剂的有序挥发，一段时间后，揭下卷绕辊表面覆盖的聚合物基底，便可获得分布均匀的碳纳米管纸。将镂空模具覆盖在卷绕辊表面可以获得各种形态尺寸的碳纳米管纸。

优选地，在卷绕辊上覆盖镂空模具之前，先在卷绕辊的表面覆盖一层聚合物或金属薄膜，在聚合物或金属薄膜的表面喷洒脱模剂，以获得表面平整的碳纳米管纸，在脱模之前，取下聚合物或金属薄膜。

优选地，所述的碳纳米管为单臂碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或二者的混合物。

优选地，所述的碳纳米管纸的形状通过覆盖在卷绕辊表面的镂空模具控制。

优选地，所述的碳纳米管纸的尺寸通过改变卷绕辊的直径和碳纳米管分散液在卷绕辊上的覆盖面积来调节。

优选地，所述的可挥发性溶剂为乙醇、甲醇、丙酮和水中的一种或几种的混合物。

优选地，所述的分散剂为十二烷基磺酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)中的一种或几种的混合物。采用合适的分散剂有助于碳纳米管粉末的均匀分散。

优选地，所述的碳纳米管、可挥发性溶剂和分散剂的比例为1mg∶2～4ml∶0.5～2mg。

优选地，所述的超声波振荡操作的具体条件为：频率53KHz状态下振荡4小时。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明工艺简单，生产可控，通过卷绕辊、气压式喷枪、加热装置的有效结合，并通过改变其工艺参数制备不同尺寸大小、不同厚度、不同时间产量的碳纳米管纸。同时，结合聚合物镂空模具的使用，可以制作出指定形状的碳纳米管纸器件。该方法制备的碳纳米管纸可广泛应用于超级电容器、电池以及过滤材料中，亦可发展成为高性能、多功能的碳纳米管复合材料的制备方法，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是简易可控的碳纳米管纸的制备装置结构示意图；

图2a是用于制备碳纳米管纸微带天线贴片的聚合物镂空模具图；

图2b是本发明方法所制备碳纳米管纸微带天线贴片示意图；

图3a是用于制备特定形状碳纳米管电导热器件的聚合物镂空模具图；

图3b是本发明方法所制备的特定形状碳纳米管电导热器件示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如图1所示，为简易可控的碳纳米管纸的制备装置结构示意图，所述的简易可控的碳纳米管纸的制备装置包括气压式喷枪、气压泵、卷绕辊和加热装置，所述的气压式喷枪连接气压泵，所述的卷绕辊连接控速电机。所述的气压式喷枪为单喷头喷枪。所述的气压式喷枪和加热装置分别设置在卷绕辊的两侧，二者处于同一水平位置。

实施例2：

采用实施例1中所述的简易可控的碳纳米管纸的制备装置来制备碳纳米管纸微带天线贴片，具体步骤为：

(1)选取直径为20纳米，长度50～100微米的多壁碳纳米管为碳纳米管原料。将碳纳米管原料加入到可挥发性溶剂无水酒精中，添加十二烷基磺酸钠(SDS)作为碳纳米管分散剂，用于提高碳纳米管浓度且分散均匀，碳纳米管、可挥发性溶剂和分散剂的比例为1mg∶2mL∶0.5mg，碳纳米管的浓度过小会增加实验时间，浓度过大，碳纳米管粉末易凝集而堵塞喷嘴。在频率53KHz超声振荡条件下，振荡时间4小时，实现碳纳米管在可挥发性溶剂中的均匀分散。

(2)聚合物镂空模具的制作：准备一张与卷绕辊表面形状相同的聚酯薄膜，用精细电动刻刀在聚合物薄膜上制作微带天线贴片图形，如图2a所示，为用于制备碳纳米管纸微带天线贴片的聚合物镂空模具图，图中镂空区域1与待制作的碳纳米管纸微带天线贴片形状相同。

(3)卷绕辊由聚四氟乙烯制成，在卷绕辊的表面覆盖一层聚酰亚胺薄膜，再在其上均匀喷洒由上海东恒化工有限公司提供的甲基乙烯基硅橡胶作为脱模剂，再覆盖上一层聚合物镂空模具。卷绕辊的转绕方向和转绕速度通过控速电机控制；卷绕辊的外径、卷绕速度、脱模剂用量可根据实际产量进行调节。

(4)通过喷枪将所得的碳纳米管分散液喷洒在转动的卷绕辊上，同时启动卷绕辊附近的加热装置，使附着的可挥发性溶剂无水酒精挥发，形成碳纳米管层。碳纳米管分散液每分钟每平方厘米的喷洒量为0.3毫升。喷枪的喷嘴到卷绕辊表面距离控制在4厘米，加热装置表面距离卷绕辊表面4厘米，加热区温度维持在70摄氏度，确保刚形成的碳纳米管层再次到达喷洒区时大部分溶剂已挥发即可。连续进行喷洒、卷绕、挥发过程5个小时后，取出粘附有碳纳米管纸的聚合物基底，置于恒温箱中干燥3个小时后揭下，脱模制得如图2b所示的碳纳米管纸微带天线贴片，其厚度为0.3毫米。

实施例3

采用实施例1中所述的简易可控的碳纳米管纸的制备装置来制备指定形状的碳纳米管导电导热器件，具体步骤为：

(1)选取直径为20纳米，长度50～100微米的多壁碳纳米管为碳纳米管原料。将碳纳米管原料加入到可挥发性溶剂无水酒精中，添加十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为碳纳米管分散剂，用于提高碳纳米管浓度且分散均匀，碳纳米管、可挥发性溶剂和分散剂的比例为1mg∶2mL∶0.5mg，碳纳米管的浓度过小会增加实验时间，浓度过大，碳纳米管粉末易凝集而堵塞喷嘴。在频率53KHz超声振荡条件下，振荡时间4小时，实现碳纳米管在可挥发性溶剂中的均匀分散。

(2)聚合物镂空模具的制作：准备一张与卷绕辊表面形状相同的聚酯薄膜，用精细电动刻刀在聚合物薄膜上制作特定形状的电导热器件图形，如图3a所示，为用于制备特定形状碳纳米管电导热器件的聚合物镂空模具图，图中镂空区域1与待制作的碳纳米管电导热器件形状相同。

(3)卷绕辊由钢材料构成，在卷绕辊上覆盖一层聚丙烯薄膜，在其上均匀喷洒由上海东恒化工有限公司提供的环氧树脂用脱模剂，再覆盖上一层聚合物镂空模具，待喷洒成型后揭下模具即可得超细碳纳米管电导热图形。卷绕辊的转绕方向和转绕速度通过控速电机控制；。

(4)通过喷枪将所得的碳纳米管分散液喷洒在转动的卷绕辊上，同时启动卷绕辊附近的加热装置，使附着的可挥发性溶剂挥发，形成碳纳米管层。碳纳米管分散液在每分钟每平方厘米的喷洒量为0.3毫升，喷枪的喷嘴到卷绕辊表面距离控制在3厘米。加热装置表面距离卷绕辊表面3厘米，加热区温度维持在60摄氏度，确保刚形成的碳纳米管层再次到达喷洒区时大部分溶剂已挥发即可。连续进行喷洒、卷绕、挥发过程5个小时后，取出粘附有碳纳米管纸的聚合物基底，置于恒温箱中干燥3个小时后揭下，脱模制得如图3b所示的碳纳米管导电导热器件，其厚度为0.3毫米。

Claims (10)

1.一种简易可控的碳纳米管纸的制备装置，其特征在于，包括气压式喷枪、气压泵、卷绕辊和加热装置，所述的气压式喷枪连接气压泵。

2.如权利要求1所述的简易可控的碳纳米管纸的制备装置，其特征在于，所述的卷绕辊连接控速电机。

3.如权利要求1所述的简易可控的碳纳米管纸的制备装置，其特征在于，所述的气压式喷枪为单喷头喷枪或多喷头喷枪。

4.一种简易可控的碳纳米管纸的制备方法，其特征在于，采用权利要求1所述的简易可控的碳纳米管纸的制备装置，具体步骤为：将碳纳米管加入到可挥发性溶剂中，添加分散剂，在超声波振荡下，实现碳纳米管在可挥发性溶剂中的均匀分散；在卷绕辊的表面覆盖一层镂空模具；通过喷枪将所得的碳纳米管分散液喷洒在转动的卷绕辊上，同时启动卷绕辊附近的加热装置，使附着可挥发性溶剂挥发，连续进行喷洒、卷绕和挥发过程，脱模制得碳纳米管纸。

5.如权利要求4所述的简易可控的碳纳米管纸的制备装置，其特征在于，在卷绕辊上覆盖镂空模具之前，先在卷绕辊的表面覆盖一层聚合物或金属薄膜，在聚合物或金属薄膜的表面喷洒脱模剂，以获得表面平整的碳纳米管纸，在脱模之前，取下聚合物或金属薄膜。

6.如权利要求4所述的简易可控的碳纳米管纸的制备装置，其特征在于，所述的碳纳米管为单臂碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或二者的混合物。

7.如权利要求4所述的简易可控的碳纳米管纸的制备装置，其特征在于，所述的碳纳米管纸的形状通过覆盖在卷绕辊表面的镂空模具控制，碳纳米管纸的尺寸通过改变卷绕辊的直径和碳纳米管分散液在卷绕辊上的覆盖面积来调节。

8.如权利要求4所述的简易可控的碳纳米管纸的制备装置，其特征在于，所述的可挥发性溶剂为乙醇、甲醇、丙酮和水中的一种或几种的混合物。

9.如权利要求4所述的简易可控的碳纳米管纸的制备装置，其特征在于，所述的分散剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵中的一种或几种的混合物。

10.如权利要求4所述的简易可控的碳纳米管纸的制备装置，其特征在于，所述的碳纳米管、可挥发性溶剂和分散剂的比例为1mg∶2～4ml∶0.5～2mg。

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