CN105197874A - 碳纳米管复合线的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种碳纳米管复合线的制备方法，包括以下步骤：提供至少一碳纳米管阵列；采用一拉伸工具从所述至少一碳纳米管阵列拉取至少一碳纳米管膜；利用一石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液处理所述至少一碳纳米管膜，获得至少一碳纳米管复合线。

Description

碳纳米管复合线的制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管复合线的制备方法。

背景技术

碳纳米管是一种由石墨烯片卷成的中空管状物。碳纳米管具有优异的力学、热学及电学性质，其应用领域非常广阔。例如，碳纳米管可用于制作场效应晶体管、原子力显微镜针尖、场发射电子枪、纳米模板等。上述技术中碳纳米管的应用主要是碳纳米管在微观尺度上的应用，操作较困难。因此，使碳纳米管具有宏观尺度的结构并在宏观上应用具有重要意义。

姜开利等人于2002年成功地从一碳纳米管阵列拉取获得一具有宏观尺度的碳纳米管线，具体请参见文献“SpinningContinuousCarbonNanotubeYarns”，Nature，V419，P801。所述碳纳米管线由多个首尾相连且基本沿同一方向择优取向排列的碳纳米管组成。

然而，由所述制备方法所制备的碳纳米管线中碳纳米管之间的结合力较弱，因此，所述碳纳米管线的机械性能还需进一步提高。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种机械性能较高的碳纳米管复合线的制备方法。

一种碳纳米管复合线的制备方法，包括以下步骤：提供一碳纳米管阵列；从所述一碳纳米管阵列直接拉伸出一悬空设置的碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个碳纳米管首尾相连地沿所述拉伸方向延伸；以及利用一含石墨烯片或氧化石墨烯的溶液处理所述悬空设置的一碳纳米管膜，获得一碳纳米管复合线。

与现有技术相比，本发明所提供的碳纳米管复合线的制备方法中，将碳纳米管膜经过添加有表面活性剂的石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液的浸润,所述石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液中的有机溶剂挥发时，在有机溶剂表面张力的作用下，所述碳纳米管膜在收缩成碳纳米管线的同时，石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液中的石墨烯片或氧化石墨烯随着碳纳米管膜的收缩而均匀分散在该碳纳米管线中，最终形成碳纳米管复合线。所述表面活性剂使石墨烯片或氧化石墨烯与首尾相连的碳纳米管之间形成化学键，该化学键类似“氢键”，比范德华力的作用力强，从而提高了碳纳米管复合线的机械性能。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的碳纳米管复合线的制备方法的工艺流程图。

图2为本发明第一实施例提供的碳纳米管膜的扫描电镜照片。

主要元件符号说明

生长基底	10
		碳纳米管阵列	20
碳纳米管膜	22
		碳纳米管复合线	26
拉伸工具	30
		石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液	40
第一容器	42
		流道	44
通孔	46
		第二容器	48
线轴	50
		电机	52

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的碳纳米管复合线的制备方法作进一步的详细说明。

请参见图1，本发明实施例提供一种碳纳米管复合线26的制备方法，包括以下步骤：

S10，提供一碳纳米管阵列20；

S11，采用一拉伸工具30从所述碳纳米管阵列20拉取一碳纳米管膜22；

S12，利用一石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40处理所述碳纳米管膜22，获得一碳纳米管复合线26。

步骤S10中，所述碳纳米管阵列20优选为超顺排碳纳米管阵列20，该超顺排碳纳米管阵列20的制备方法采用化学气相沉积法，其具体包括以下步骤：（a）提供一平整生长基底10，该生长基底10可选用P型或N型硅生长基底10，或选用形成有氧化层的硅生长基底10，本发明实施例优选为采用4英寸的硅生长基底10；（b）在生长基底10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；（c）将上述形成有催化剂层的生长基底10在700℃~900℃的空气中退火约30分钟~90分钟；（d）将处理过的生长基底10置于一反应炉中，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分钟~30分钟，生长得到碳纳米管阵列20。

该碳纳米管阵列20为多个彼此平行且垂直于生长基底10生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列20。可以理解，所述多个碳纳米管垂直于碳纳米管阵列20的表面。通过上述控制生长条件，该碳纳米管阵列20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。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。

步骤S11中，采用一拉伸工具30从所述碳纳米管阵列20中拉取碳纳米管获得碳纳米管膜22的步骤为：（a）从所述碳纳米管阵列20中选定一个或多个碳纳米管，优选为采用具有一定宽度的胶带、镊子或夹子接触碳纳米管阵列20以选定一个或多个碳纳米管；（b）以一定速度拉伸该选定的碳纳米管，从而形成首尾相连的多个碳纳米管片段，进而形成一连续的碳纳米管膜22。该拉伸方向沿垂直于所述碳纳米管阵列20的生长方向。

在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离生长基底10的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片段分别与其它碳纳米管片段首尾相连地连续地被拉出，从而形成一连续、均匀且具有一定宽度的碳纳米管膜22。所述碳纳米管膜22包括多个均匀分布的碳纳米管，该多个碳纳米管通过范德华力首尾相连，且沿同一方向延伸并平行于碳纳米管膜22的表面，如图2所示。

所述碳纳米管膜22在拉伸及经过所述石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液的处理时均处于悬空设置。具体地，所述碳纳米管膜22的一端连接于所述碳纳米管阵列20，另一端连接于拉伸工具30或一收集工具。该收集工具用于收集所述碳纳米管复合线。

步骤S12中，所述石墨烯片溶液通过将石墨烯片分散于一溶剂中获得。本实施例中，该石墨烯片溶液的制备方法具体包括：提供一定量石墨烯片；将该石墨烯片置入一溶剂中形成一混合物；超声振荡该混合物，使石墨烯片均匀分散并悬浮在该溶剂中从而获得一石墨烯片溶液。本实施例中，该混合物在超声振荡仪中振荡约15分钟。可以理解，还可采用其它方法分散该石墨烯片，如采用机械搅拌的方法搅拌该石墨烯片与该溶剂的混合物。

所述溶剂应选择为利于石墨烯片分散，且能够完全挥发的低分子量有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中一种或者几种的混合。本实施例中，该溶剂为乙醇。可以理解，该溶剂仅起到均匀分散石墨烯片的作用，故该溶剂应不与该石墨烯片发生反应，如发生化学反应或使石墨烯片溶解于溶剂中。

该石墨烯片由单层或多层石墨烯（graphene）组成。优选地，该石墨烯片溶液中的石墨烯片的层数为50~100层。该石墨烯片的尺寸为100纳米至1微米。该石墨烯片在该石墨烯片溶液中的浓度为20%（体积百分含量）至80%。

所述氧化石墨烯溶液由粉末状的氧化石墨烯分散于所述溶剂中而得，所述溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中一种或者几种的混合。本实施例中，所述溶剂为乙醇。所述氧化石墨烯溶液的浓度为15%（体积百分含量）至70%。本实施例中，所述所述氧化石墨烯溶液的浓度为2mg/ml。

利用石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40浸润所述碳纳米管膜22，待溶剂挥发后，所述碳纳米管膜22收缩成一碳纳米管复合线26的具体步骤为：请参见图1，在所述碳纳米管膜22的一侧斜上方放置一第一容器42，其用于盛装处理碳纳米管膜22的石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40。该第一容器42具有一流道44，该流道44有一通孔46，用于给碳纳米管膜22供给石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40。将所述碳纳米管膜22收拢并使其穿过所述通孔46，石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40从流道44流出，同时将碳纳米管膜22从流道44的通孔46连续拉伸出，使碳纳米管膜22在流道44的通孔46处被石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40浸润。当然，也可不用收拢碳纳米管膜22，直接用一个可使碳纳米管膜22穿过且可浸润该碳纳米管膜22的装置。在流道44的通孔46下方放置一第二容器48，用于盛装遗漏的石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40。

所述碳纳米管膜22被所述石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40浸润后，当所述石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40中有机溶剂挥发时，在挥发性有机溶剂表面张力的作用下，所述碳纳米管膜22收缩成一根碳纳米管线，且所述石墨烯片或氧化石墨烯片残留在所述碳纳米管膜22上随着碳纳米管膜22的收缩被均匀分散于所述碳纳米管线中，并且与碳纳米管线紧密结合在一起而形成碳纳米管复合线26。

可以理解，利用石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40浸润所述碳纳米管膜22，待溶剂挥发后，所述碳纳米管膜22收缩成一碳纳米管复合线26的方法至少包括两种：第一种，如上所述，将所述碳纳米管膜22穿过所述石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40；第二种，将所述石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40喷洒于所述碳纳米管膜22上。

进一步，可以在所述石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40中添加表面活性剂。一方面，该表面活性剂使石墨烯片或氧化石墨烯均匀分散在碳纳米管复合线26中，提高碳纳米管复合线26的综合性能；另一方面，表面活性剂使石墨烯片或氧化石墨烯与首尾相连的碳纳米管之间形成化学键，该化学键类似“氢键”，比范德华力的作用力强，可以提高碳纳米管复合线26的机械强度。所述表面活性剂的种类不限，比如，硬脂酸、卵磷脂、脂肪酸甘油酯等。

为了加速所述有机溶剂的挥发，还可以用加热的方式干燥经过石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40浸润后的碳纳米管复合线26。比如，所述碳纳米管膜22从所述通孔46穿过后，用一红外灯照射所述处理的碳纳米管膜22，或者利用一电吹风吹所述处理的碳纳米管膜22。所述照射的时间与所述石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40中的浓度有关。当所述石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40的浓度为20%~40%时，红外灯照射的时间为15秒~10分钟；当所述石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40的浓度为50%~80%，红外灯照射的时间为30秒~20分钟。

进一步，可收集所制得的碳纳米管复合线26。本实施例中，采用电机52将碳纳米管复合线26卷到线轴50上即可，如图1所示。当然也可采用手工将其卷到线轴50上，使其可方便地在宏观领域进一步应用。

可以理解，也可以同时从多个碳纳米管阵列20中分别拉取碳纳米管以获得多个碳纳米管膜22，将该多个碳纳米管膜22同时经过所述石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液40中，待有机溶剂挥发后，得到多个碳纳米管复合线26。

所述碳纳米管复合线26包括多个碳纳米管和多个石墨烯片或多个氧化石墨烯片，所述多个碳纳米管通过范德华力首尾相连，且该多个碳纳米管连续地沿所述碳纳米管复合线26的轴向平行排列，多个石墨烯片或多个氧化石墨烯片分散于碳纳米管复合线26中，且多个石墨烯片或多个氧化石墨片烯紧密连接在一起。所述氧化石墨烯片含有C=O键和C-O-H键，有利于提高所述碳纳米管复合线26的稳定性和机械强度。当碳纳米管复合线26中碳纳米管与石墨烯片或氧化石墨烯的重量比为1:1至10:1时，该碳纳米管复合线26具有良好的机械性能，同时具有较轻的重量。

本发明提供的碳纳米管复合线的制备方法具有以下优点：第一，将碳纳米管膜经过添加有表面活性剂的石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液的浸润,所述石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液中的有机溶剂挥发时，在有机溶剂表面张力的作用下，所述碳纳米管膜在收缩成碳纳米管线的同时，石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液中的石墨烯片或氧化石墨烯随着碳纳米管膜的收缩而均匀分散在该碳纳米管线中，最终形成碳纳米管复合线；第二，所述表面活性剂使石墨烯片或氧化石墨烯与首尾相连的碳纳米管之间形成化学键，该化学键类似“氢键”，比范德华力的作用力强，从而提高了碳纳米管复合线的机械性能；第三，在从碳纳米管阵列拉出碳纳米管膜的过程中，使该碳纳米管膜经过所述石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液的浸润，可以一边拉取碳纳米管膜，一边使该碳纳米管膜经过石墨烯片溶液或氧化石墨烯溶液的浸润收缩成碳纳米管复合线，一边将该碳纳米管复合线收集在线轴上，实现碳纳米管复合线的连续生产。

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 (12)

1.一种碳纳米管复合线的制备方法，包括以下步骤：

提供一碳纳米管阵列；

从所述一碳纳米管阵列直接拉伸出一悬空设置的碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个碳纳米管首尾相连地沿所述拉伸方向延伸；以及

利用一含石墨烯片或氧化石墨烯的溶液处理所述悬空设置的一碳纳米管膜，获得一碳纳米管复合线。

2.如权利要求1所述的碳纳米管复合线的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管阵列包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管垂直于碳纳米管阵列的表面。

3.如权利要求1所述的碳纳米管复合线的制备方法，其特征在于，所述含石墨烯片或氧化石墨烯的溶液由石墨烯片或氧化石墨烯分散于有机溶剂中而得。

4.如权利要求3所述的碳纳米管复合线的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中一种或者几种的混合。

5.如权利要求3所述的碳纳米管复合线的制备方法，其特征在于，进一步包括在利用一含石墨烯片或氧化石墨烯的溶液处理所述悬空设置的一碳纳米管膜后使所述有机溶剂挥发的步骤，所述有机溶剂挥发时，在有机溶剂表面张力的作用下，所述碳纳米管膜收缩成一碳纳米管线的同时，所述石墨烯片或氧化石墨烯随着碳纳米管膜的收缩而均匀分散在所述碳纳米管线中。

6.如权利要求1所述的碳纳米管复合线的制备方法，其特征在于，所述利用一含石墨烯片或氧化石墨烯的溶液处理所述悬空设置的一碳纳米管膜的方法为：将所述碳纳米管膜穿过所述含石墨烯片或氧化石墨烯的溶液，或者将所述含石墨烯片或氧化石墨烯的溶液喷洒于所述碳纳米管膜上。

7.如权利要求1所述的碳纳米管复合线的制备方法，其特征在于，所述含石墨烯片或氧化石墨烯的溶液中添加有表面活性剂。

8.如权利要求7所述的碳纳米管复合线的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂使石墨烯片或氧化石墨烯与碳纳米管之间形成化学键。

9.如权利要求1所述的碳纳米管复合线的制备方法，其特征在于，进一步包括用一红外灯照射所述碳纳米管复合线的步骤。

10.如权利要求1所述的碳纳米管复合线的制备方法，其特征在于，所述含石墨烯片或氧化石墨烯的溶液的浓度为20%。

11.如权利要求1所述的碳纳米管复合线的制备方法，其特征在于，一边拉取所述碳纳米管膜，一边使该碳纳米管膜经过所述含石墨烯片或氧化石墨烯的溶液的浸润收缩成碳纳米管复合线。

12.如权利要求3所述的碳纳米管复合线的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管与石墨烯片或氧化石墨烯的重量比为1:1至10:1。