CN103204487A - 一种片层结构的碳纳米管宏观体及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种片层结构的碳纳米管宏观体，所述碳纳米管宏观体由多层碳纳米管薄膜层层叠加而成，相邻的碳纳米管薄膜之间形成有碳纳米管间隙层，碳纳米管薄膜内的碳纳米管均匀分布，该宏观体的体积密度为0.3g/cm³–1.0g/cm³，孔隙率为40%–85%；制作时，先将碳纳米管、润滑剂放入混料机中进行混合以得到均匀的混合料，再将混合料放入模具中进行压制，压制方式为单向加压，再保压，保压结束后即可获得所述片层结构的碳纳米管宏观体。本设计制作的宏观体不仅碳纳米管的均匀度较高、密度较大，而且能够制作片层结构的碳纳米管宏观体、便于操作。

Description

一种片层结构的碳纳米管宏观体及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种高密度碳纳米管宏观体，属于纳米材料领域，尤其涉及一种片层结构的碳纳米管宏观体及其制作方法，具体适用于制作均匀度较高、密度较大的片层结构的碳纳米管宏观体。

背景技术

碳纳米管是单层或者多层石墨层卷曲形成的一维管状纳米材料，具有优异的电学、热学、力学性能，是一种新型多功能纤维材料。目前，碳管的应用主要集中在锂离子电池电极材料和复合材料领域。少量的碳管添加到锂离子电池正负极材料中可显著改善电池电化学性能，而少量的碳纳米管添加到基体材料中制备复合材料，则对复合材料的性能改善不明显，因而，进一步提高复合材料中碳纳米管的含量成为研究人员努力的方向。

碳管加入到基体中制备复合材料很难获得高碳纳米管含量的复合材料，一方面，一维纳米结构碳纳米管具有大的长径比，在基体中分散时易相互缠绕；另一方面，制备复合材料可先通过浸渍复合工艺将碳纳米管制备成宏观体结构，再浸渍复合基体材料，通过控制碳管宏观体中碳纳米管体含量可获得不同碳纳米管含量的复合材料。因此，开发高碳纳米管含量的宏观体成为制备高碳管含量复合材料的关键。

中国专利专利号为ZL200510061453.6，授权公告日为2007年11月14日的发明专利公开了一种多孔碳纳米管预制体的制备方法，该方法是将每克碳纳米管与0.01–4ml的含有粘合剂的造孔剂溶液，其中粘合剂的浓度为0.01–20％混合，经搅拌、研磨达到均匀混合后，放入模具中，施加1–100MPa的压力，以0.5–5℃/分钟的速度升温至50–300℃，保压0.5–12h后，自然冷却至常温并卸压，即得多孔碳纳米管预制体。虽然该发明可以制得任意尺寸和形状的气孔结构稳定的多孔碳纳米管预制体以用于聚合物基复合材料或生物医用材料的制备，但该发明仍旧具有以下缺陷：

首先，该发明将碳纳米管、粘合剂混合以制得多孔碳纳米管预制体，由于碳纳米管有大长径比难在粘合剂中分散，因而碳纳米管在混合后的浆液中不能均匀分布，导致制得的多孔碳纳米管预制体为非均质结构，其均匀度较低； 

其次，由于碳纳米管有大长径比难在粘合剂中分散，因而该发明制得的多孔碳纳米管预制体中只含有较少的碳纳米管，碳管含量较低，其碳纳米管密度较小；

再次，该发明在进行浆液成型时，不仅对温度、时间有要求，还对压力有要求，要求较多，不便于操作。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的均匀度较低、碳纳米管密度较小、不便于操作的缺陷与问题，提供一种均匀度较高、碳纳米管密度较大、便于操作的片层结构的碳纳米管宏观体及其制作方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种片层结构的碳纳米管宏观体，所述碳纳米管宏观体为碳纳米管的聚集体，且相邻的碳纳米管相互缠绕；

所述碳纳米管宏观体由多层碳纳米管薄膜层层叠加而成，相邻的碳纳米管薄膜之间形成有碳纳米管间隙层，且碳纳米管薄膜内的碳纳米管均匀分布；

所述碳纳米管薄膜的碳纳米管密度、厚度均大于碳纳米管间隙层的碳纳米管密度、厚度。

所述碳纳米管薄膜的厚度为3–4um，所述碳纳米管间隙层的厚度为0.8–1.2um。

所述碳纳米管间隙层内的碳纳米管与该碳纳米管间隙层两侧设置的碳纳米管薄膜相垂直。

所述宏观体的体积密度为0.3g/cm³–1.0g/cm³，孔隙率为40%–85%。

一种上述片层结构的碳纳米管宏观体的制作方法，所述制作方法依次包括以下步骤：

第一步：先将碳纳米管放入混料机中进行混合以得到均匀的混合料，再将混合料放入模具中；

第二步：先对模具中的混合料进行压制，压制方式为单向加压，再保压，保压结束后即可获得所述片层结构的碳纳米管宏观体。

所述第一步中，先将碳纳米管、润滑剂放入混料机中进行混合以得到均匀的混合料；

所述润滑剂与碳纳米管的用量比小于等于5%，所述润滑剂为石墨烯、石墨烯微片、片状石墨、导电石墨或硬脂酸锌。

所述制作方法还包括后处理工艺，该后处理工艺为：先将获得的碳纳米管宏观体置于惰性气氛或者真空环境中，再在高温下进行石墨化处理，石墨化处理温度为1500–3500℃，石墨化处理时间为1–180 min，石墨化处理结束后即可获得石墨化碳纳米管宏观体。

所述第一步中：所述混合时间为2–4h；

所述第二步中：所述压力大小为50Mpa–1000MPa，所述保压时间为3s–60s。

所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或其混合物；所述碳纳米管的纯度为60%–100%。

所述碳纳米管为经过酸处理的功能化碳纳米管。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种片层结构的碳纳米管宏观体及其制作方法中的碳纳米管宏观体在制作时是先将碳纳米管用混料机混合均匀以制得混合料，再对混合料进行单向加压以获得碳纳米管宏观体，克服了现有技术中碳纳米管难在粘合剂中分散的缺陷，提高了混合料中碳纳米管的均匀度，从而提高了最终宏观体中碳纳米管的均匀度，最终宏观体的特点，即由多层碳纳米管薄膜层层叠加而成，相邻的碳纳米管薄膜之间形成有碳纳米管间隙层，碳纳米管薄膜内的碳纳米管均匀分布，碳纳米管薄膜的碳纳米管密度、厚度均大于碳纳米管间隙层的碳纳米管密度、厚度，正好体现了碳纳米管均匀度较高的特点，此外，当采取碳纳米管、润滑剂一起混合以制取混合料时，制作效果更好，最终宏观体中碳纳米管的均匀度更高。因此，本发明制作的宏观体中碳纳米管的均匀度较高。

2、本发明一种片层结构的碳纳米管宏观体及其制作方法中在制取混合料时，一种是直接对碳纳米管进行混合，一种是对碳纳米管、润滑剂进行混合，两种设计都能避免现有技术中碳纳米管难在粘合剂中分散的缺陷，提高碳纳米管在宏观体中的含量，尤其当碳纳米管的纯度为60%–100%时，最终宏观体中的碳纳米管含量更多，体积密度更大，可达0.3g/cm³–1.0g/cm³。因此，本发明制作的宏观体中碳纳米管的密度较大。

3、本发明一种片层结构的碳纳米管宏观体及其制作方法中在制作宏观体时，主要包括混合与加压两个步骤，不仅步骤较少，而且操作方便，此外，在进行操作时，只涉及时间、压力两个操作参数，大大降低了操作难度。因此，本发明便于操作。

4、本发明一种片层结构的碳纳米管宏观体及其制作方法中制作的碳纳米管宏观体由多层碳纳米管薄膜层层叠加而成，相邻的碳纳米管薄膜之间形成有碳纳米管间隙层，碳纳米管薄膜内的碳纳米管均匀分布，碳纳米管薄膜的碳纳米管密度、厚度均大于碳纳米管间隙层的碳纳米管密度、厚度，可见，本发明可获取层次分明的片层结构的碳纳米管宏观体，从而扩大宏观体的应用领域，使其更广泛的应用于复合材料预制体、催化剂载体的制作，能够实现碳管材料的批量化应用。因此，本发明不仅能够制作片层结构的碳纳米管宏观体，而且应用领域较广。

附图说明

图1是本发明中宏观体断面的扫描电子显微镜照片。

图2是对图1中的宏观体进行石墨化处理后制得的石墨化宏观体断面的扫描电子显微镜照片。

图3是图1中碳纳米管薄膜表面的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1–图3，一种片层结构的碳纳米管宏观体，所述碳纳米管宏观体为碳纳米管的聚集体，且相邻的碳纳米管相互缠绕；

所述碳纳米管宏观体由多层碳纳米管薄膜层层叠加而成，相邻的碳纳米管薄膜之间形成有碳纳米管间隙层，且碳纳米管薄膜内的碳纳米管均匀分布；

所述碳纳米管薄膜的碳纳米管密度、厚度均大于碳纳米管间隙层的碳纳米管密度、厚度。

所述碳纳米管薄膜的厚度为3–4um，所述碳纳米管间隙层的厚度为0.8–1.2um。

所述碳纳米管间隙层内的碳纳米管与该碳纳米管间隙层两侧设置的碳纳米管薄膜相垂直。

所述宏观体的体积密度为0.3g/cm³–1.0g/cm³，孔隙率为40%–85%。

一种上述片层结构的碳纳米管宏观体的制作方法，所述制作方法依次包括以下步骤：

第一步：先将碳纳米管放入混料机中进行混合以得到均匀的混合料，再将混合料放入模具中；

第二步：先对模具中的混合料进行压制，压制方式为单向加压，再保压，保压结束后即可获得所述片层结构的碳纳米管宏观体。

所述第一步中，先将碳纳米管、润滑剂放入混料机中进行混合以得到均匀的混合料；

所述润滑剂与碳纳米管的用量比小于等于5%，所述润滑剂为石墨烯、石墨烯微片、片状石墨、导电石墨或硬脂酸锌。

所述制作方法还包括后处理工艺，该后处理工艺为：先将获得的碳纳米管宏观体置于惰性气氛或者真空环境中，再在高温下进行石墨化处理，石墨化处理温度为1500–3500℃，石墨化处理时间为1–180 min，石墨化处理结束后即可获得石墨化碳纳米管宏观体。

所述第一步中：所述混合时间为2–4h；

所述第二步中：所述压力大小为50Mpa–1000MPa，所述保压时间为3s–60s。

所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或其混合物；所述碳纳米管的纯度为60%–100%。

所述碳纳米管为经过酸处理的功能化碳纳米管。

本发明的原理说明如下：

碳纳米管薄膜：参见图1，本发明中的片层结构的碳纳米管宏观体由多层碳纳米管薄膜层层叠加而成，相邻的碳纳米管薄膜之间形成有碳纳米管间隙层，碳纳米管薄膜的扫描形貌类似于纸，是由在二维平面均匀分布的碳纳米管相互缠绕、搭接形成的。每层碳纳米管薄膜内的碳管是均匀分布的，每层碳纳米管薄膜的厚度为3–4um，碳纳米管间隙层的厚度为0.8–1.2um，一般为1um。

碳纳米管间隙层：参见图3，从图中可以看出碳纳米管薄膜内部的碳纳米管由于长径比大，碳纳米管在二维平面内相互缠绕，连接形式主要为机械的缠绕和碳纳米管之间的范德华吸引力。相邻的碳纳米管薄膜之间的连接形式是碳纳米管间隙层，即碳纳米管间隙层内的碳纳米管（如图中圆圈所标注）是垂直于碳纳米管薄膜的，类似于碳纳米管薄膜之间的桥梁，从而将许多层碳纳米管薄膜连成一个整体。

润滑剂：碳纳米管、润滑剂混合的目的是增加碳管粉末的流动性，要求润滑剂占碳管含量的5%以下，润滑剂含量过高会增加杂质的含量，润滑剂含量过低可能会出现压不实的现象。

混料时间：混料时间为2–4h，混料时间一般而言是越长越好。

保压时间：保压时间3s–60s，保压时间小于3秒，该宏观体有一定的回弹。

石墨化处理：参见图1与图2，图1是由未经石墨化的碳管（即原始碳管，含有无定形碳等碳杂质）直接压制成的宏观体的断面示意图，层状特征不是很清晰。图2是对同一个宏观体进行石墨化处理后的断面示意图，去掉了无定形碳杂质后，层状结构就变的较清晰。

石墨化处理温度：温度取1500–3500℃，低于这个温度无定型碳去除不完全，高于这个温度没有必要，设备也很难达到。

石墨化处理时间：时间取1–180 min，低于此时间无定型碳去除不完全，高于这个时间则浪费时间，降低效率。

实施例1：

一种片层结构的碳纳米管宏观体的制作方法，所述制作方法依次包括以下步骤：

第一步：先将碳纳米管、润滑剂放入混料机中进行混合以得到均匀的混合料，混合时间为2–4h，再将混合料放入模具中；所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或其混合物；所述碳纳米管的纯度为60%–100%；所述润滑剂与碳纳米管的用量比为2%，所述润滑剂为石墨烯、石墨烯微片、片状石墨、导电石墨或硬脂酸锌；

第二步：先对模具中的混合料进行压制，压制方式为单向加压，压力大小为200Mpa，再保压，保压时间为3s–60s，保压结束后即可获得所述片层结构的碳纳米管宏观体，该宏观体的体积密度为0.5g/cm3，孔隙率为70vol%。

对上述宏观体用扫描电子显微镜（SEM）观察，宏观体断面处为一层一层的碳纳米管薄膜，如图1所示，在碳纳米管薄膜之间有很多的碳杂质，因而不够清晰。

将上述制得的宏观体置于惰性气氛或者真空环境中，再在高温下进行石墨化处理，石墨化处理温度为1500–3500℃，石墨化处理时间为1–180 min，石墨化处理结束后即可获得石墨化碳纳米管宏观体，参见图2，石墨化处理去除了宏观体断面的无定形碳杂质，层状结构变的较清晰。

本发明先采取没有经过提纯、石墨化处理的碳纳米管制作宏观体，再对宏观体进行石墨化处理的方式，其目的在于：先将无定型碳杂质均匀的分布在宏观体中，然后，当石墨化后，杂质被除去，留下空隙，这样有利于宏观体浸渍高分子材料，制作复合材料，有利于宏观体发挥载体的功能。

实施例2：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

第一步中：所述润滑剂与碳纳米管的用量比为5%；

第二步中：压力大小为50Mpa；所述宏观体的体积密度为0.3g/cm3，孔隙率为85vol%。

实施例3：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

第一步中：所述润滑剂不添加；

第二步中：压力大小为1000Mpa；所述宏观体的体积密度为1.0g/cm3，孔隙率为40vol%。

实施例4：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

第一步中：所述润滑剂与碳纳米管的用量比为1%；

第二步中：压力大小为500Mpa；所述宏观体的体积密度为0.7g/cm3，孔隙率为60vol%。 

Claims (10)

1.一种片层结构的碳纳米管宏观体，所述碳纳米管宏观体为碳纳米管的聚集体，且相邻的碳纳米管相互缠绕，其特征在于：

所述碳纳米管宏观体由多层碳纳米管薄膜层层叠加而成，相邻的碳纳米管薄膜之间形成有碳纳米管间隙层，且碳纳米管薄膜内的碳纳米管均匀分布；

所述碳纳米管薄膜的碳纳米管密度、厚度均大于碳纳米管间隙层的碳纳米管密度、厚度。

2.根据权利要求1所述的一种片层结构的碳纳米管宏观体，其特征在于：所述碳纳米管薄膜的厚度为3–4um，所述碳纳米管间隙层的厚度为0.8–1.2um。

3.根据权利要求1或2所述的一种片层结构的碳纳米管宏观体，其特征在于：所述碳纳米管间隙层内的碳纳米管与该碳纳米管间隙层两侧设置的碳纳米管薄膜相垂直。

4.根据权利要求1或2所述的一种片层结构的碳纳米管宏观体，其特征在于：所述宏观体的体积密度为0.3g/cm³–1.0g/cm³，孔隙率为40%–85%。

5.一种权利要求1所述的片层结构的碳纳米管宏观体的制作方法，其特征在于所述制作方法依次包括以下步骤：

第一步：先将碳纳米管放入混料机中进行混合以得到均匀的混合料，再将混合料放入模具中；

第二步：先对模具中的混合料进行压制，压制方式为单向加压，再保压，保压结束后即可获得所述片层结构的碳纳米管宏观体。

6.根据权利要求5所述的一种片层结构的碳纳米管宏观体的制作方法，其特征在于：

所述第一步中，先将碳纳米管、润滑剂放入混料机中进行混合以得到均匀的混合料；

所述润滑剂与碳纳米管的用量比小于等于5%，所述润滑剂为石墨烯、石墨烯微片、片状石墨、导电石墨或硬脂酸锌。

7.根据权利要求5或6所述的一种片层结构的碳纳米管宏观体的制作方法，其特征在于：所述制作方法还包括后处理工艺，该后处理工艺为：先将获得的碳纳米管宏观体置于惰性气氛或者真空环境中，再在高温下进行石墨化处理，石墨化处理温度为1500–3500℃，石墨化处理时间为1–180 min，石墨化处理结束后即可获得石墨化碳纳米管宏观体。

8.根据权利要求5或6所述的一种片层结构的碳纳米管宏观体的制作方法，其特征在于：

所述第一步中：所述混合时间为2–4h；

所述第二步中：所述压力大小为50Mpa–1000MPa，所述保压时间为3s–60s。

9.根据权利要求5或6所述的一种片层结构的碳纳米管宏观体的制作方法，其特征在于：所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或其混合物；所述碳纳米管的纯度为60%–100%。

10.根据权利要求5或6所述的一种片层结构的碳纳米管宏观体的制作方法，其特征在于：所述碳纳米管为经过酸处理的功能化碳纳米管。

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