CN106276844A - 高强度碳纳米管薄膜、其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度碳纳米管薄膜、其制备方法及应用。在一实施案例中，该制备方法包括：将碳纳米管分散在选定溶剂中，形成均匀稳定的碳纳米管分散液；在所述碳纳米管分散液中加入缓冲物质形成缓冲体系，再加入多巴胺单体并均匀混合，且使多巴胺发生自聚合，从而形成碳纳米管/聚多巴胺分散液；对所述碳纳米管/聚多巴胺分散液进行成膜处理，获得所述碳纳米管薄膜。该薄膜包括由碳纳米管构成的网络骨架结构以及分布于所述网络骨架结构中的聚多巴胺。本发明碳纳米管薄膜形态均一，厚度最低可达1μm，力学强度高，且制备工艺简单可控，成本低，具有广泛的应用前景。

Description

高强度碳纳米管薄膜、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管薄膜，更具体地说，涉及一种具有高强度等力学性能的复合碳纳米管薄膜、其制备方法及应用。

背景技术

1991年，日本科学界lijima首次发现了碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)，碳纳米管是一种由sp2杂化的碳原子组成管状共轭结构。碳纳米管的特殊结构使得其具有优异的力学、电学、光学等功能特性，并引起了国内外研究者的广泛研究。近年来，随着人们对碳纳米管及其纳米材料的研究的深入，碳纳米管及相关材料在很多领域有了广泛的应用，如结构增强材料、发光材料、污水处理材料、传感器、太阳能电池等。

碳纳米管薄膜是碳纳米管在应用中的一种重要形式，碳纳米管薄膜具有轻质、高强的力学性能，并且拥有碳纳米管的多种功能特性，同时，巨大的比表面积和空隙率是的碳纳米管薄膜成为优异的载体材料。然而在传统的碳纳米管薄膜中，碳纳米管之间仅存在微弱的分子间相互作用力，因此在承受载荷时不能够很好的传递载荷，从而导致碳纳米管薄膜的力学性能并未达到理论预期水平。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高强度碳纳米管薄膜、其制备方法及应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明的一个实施方案之中提供了一种高强度碳纳米管薄膜，其包括由碳纳米管构成的网络骨架结构以及分布于所述网络骨架结构中的聚多巴胺。

进一步的，在所述薄膜中，至少部分碳纳米管表面修饰有聚多巴胺，同时至少部分碳纳米管之间还经聚多巴胺连接。

在一较为优选的实施方案之中，所述薄膜包含40wt％～80wt％碳纳米管和1wt％～40wt％聚多巴胺。

进一步的，所述薄膜的厚度在1μm以上，抗拉伸强度在80Mpa以上。

其中，所述碳纳米管可选自但不限于单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管以及各类合适的碳纳米管衍生物。

其中，碳纳米管长度可以为1～800μm，优选为200μm～600μm。

本发明的一个实施方案之中还提供了一种制备所述高强度碳纳米管薄膜的方法，其包括：

将碳纳米管分散在选定溶剂中，形成均匀稳定的碳纳米管分散液；

在所述碳纳米管分散液中加入缓冲物质形成缓冲体系，再加入多巴胺单体并均匀混合，且使多巴胺发生自聚合，从而形成碳纳米管/聚多巴胺分散液；

对所述碳纳米管/聚多巴胺分散液进行成膜处理，获得所述碳纳米管薄膜。

在一较为优选的实施方案之中，所述碳纳米管分散液的浓度为0.01-10mg/mL。

进一步的，前述选定溶剂可选自业界所知的各类合适有机溶剂、无机溶剂，例如水、乙醇或其混合物等。

在一较为优选的实施方案之中，所述碳纳米管分散液还含有分散剂，用以辅助促进碳纳米管的分散，其中所述分散剂可包括但不限于聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、曲拉通、十二烷基苯磺酸钠中的任一种或两种以上的组合。

进一步的，在本发明中，所述碳纳米管分散液可以是通过超声分散法、高压均质法或高速搅拌法中的一种或多种同时处理而形成的包含有碳纳米管、溶剂和分散剂的混合液体；

在一较为优选的实施方案之中，所述缓冲体系的pH值为7～9，优选为8.5。

在一较为优选的具体实施方案之中，所述缓冲物质包括三羟甲基氨基甲烷以及酸，其中酸可以选自盐酸等常见酸。

在一较为优选的实施方案之中，在多巴胺单体与所述缓冲体系形成的混合体系中，多巴胺单体的浓度为1wt％-40wt％。

进一步的，在本发明中多巴胺单体可以来源于多巴胺盐酸盐等或业界常用的其它合适物质。

进一步的，在本发明中采用的成膜处理方式可以是过滤(例如抽滤)、涂覆、浇筑等，但优选采用抽滤方式，尤其优选真空抽滤方式。

在一较为优选的具体实施方案之中，所述制备方法具体包括：

对所述碳纳米管/聚多巴胺分散液进行抽滤，特别是真空抽滤处理，获得碳纳米管薄膜初成品；

以及，对所述碳纳米管薄膜初成品进行干燥处理，之后在20℃～200℃、1Mpa～10Mpa压缩1h～10h，获得碳纳米管薄膜成品。

进一步的，在本发明中采用的抽滤、真空抽滤条件可以是业界常用的。

本发明还提供了所述高强度碳纳米管的用途，例如在光、电、新材料(特别是在结构材料领域)或其它领域的用途。

在一实施案例中，提供了一种设备，其包含所述的高强度碳纳米管薄膜。该设备可以是光、电元件或其它元件(例如自支撑过滤元件)或应用到此类元件的组合设备。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：提供了一种具有高力学性能的碳纳米管薄膜，其形态均一，拉伸强度等力学性能较传统的纳米管薄膜有大幅度的提升，并且制备工艺简单，易于槽孔，同时聚多巴胺等原料来源广泛，廉价易得价格低廉，适于大规模生产，有利于碳纳米管薄膜在工业领域的大规模应用。

附图说明

图1是本发明实施例1中碳纳米管/聚多巴胺薄膜的透射电镜照片；

图2是本发明的实施例1及比较例1制备的碳纳米管薄膜的拉伸曲线对照图；

图3是利用实施例1制备的碳纳米管/聚多巴胺薄膜进行污水处理的照片。

具体实施方式

如前所述，鉴于现有碳纳米管薄膜产品的不足，本案发明人进行了长期研究和大量实践，以期能寻找到相应的解决方案。在研究过程中，本案发明人发现，当在碳纳米管分散液中添加多巴胺单体并使诱导其聚合后，再以形成的混合体系成膜而获得的碳纳米管薄膜具有远优于现有碳纳米管膜的力学性能，特别是抗拉伸性能。这一发现非常令人意外和惊喜。

而基于这一意外发现，本案发明人得以提出本发明的技术方案，即，提出了一种高强度碳纳米管薄膜及其制备方法。

具体而言，本发明的一个方面提供了一种高力学性能碳纳米管薄膜的制备方法。在一实施方案之中，其可包括：将碳纳米管分散在溶剂中，形成均匀稳定的碳纳米管分散液；然后将分散液配制成缓冲溶液，加入多巴胺单体，搅拌均匀，使多巴胺发生自聚合，从而形成碳纳米管/聚多巴胺分散液；最后通过抽滤等成膜方式使该分散液制备成薄膜。

特别是，在一较为典型的具体实施方案之中，该方法可以包括：在溶剂中分散(例如超声振荡、高压均质或强烈搅拌)碳纳米管为均匀稳定的分散液(优选为碳纳米管的水分散液)，然后将碳纳米管分散液配制成缓冲液，并调节缓冲液pH值为7～9(优选为pH值＝8.5)，加入多巴胺盐酸盐，从而可以获得由碳纳米管和聚多巴胺构成的所需分散液，所配制的碳纳米管/聚多巴胺分散液可以通过例如真空抽滤而获得薄膜。

而相应的，本发明的另一个方面提供了一种高力学性能的碳纳米管薄膜。

下面参照附图及典型实施例对本发明的技术方案进行详细描述。应当理解，这样的描述仅用于具体说明发明的目的，而不应对本发明构成任何限制。又及，以下实施例中的％，若非特别说明则均为wt％。

实施例1碳纳米管/聚多巴胺薄膜的制备：

常温条件下，称量10份(重量份，下同)碳纳米管和4份聚乙烯吡咯烷酮，加入200份去离子水，高压均质分散1～60min(优选为30min)，得到碳纳米管分散液。

常温条件下，称量121份三羟甲基氨基甲烷，加入到所述碳纳米管分散液中，加入37％盐酸，调节分散液的pH值在7～9，优选为8.5，再加入0.5～10份多巴胺盐酸盐，搅拌1～6h(优选为2h)。

通过真空抽滤获得半湿碳纳米管/聚多巴胺薄膜，常温空气中干燥48h以上，干燥后将所获碳纳米管/聚多巴胺薄膜从滤纸上剥离，并在20℃～200℃、1Mpa～10Mpa压缩1h～10h，优选为50℃～150℃、5Mpa～8Mpa压缩2h～6h，更优选为100℃、8Mpa压缩2h，获得目标碳纳米管/聚多巴胺薄膜。

本实施例1制备的一种典型碳纳米管/聚多巴胺薄膜样品的形貌如图1所示。而以IR光谱对实施例1所获的碳纳米管/聚多巴胺薄膜进行测试，并将所获图谱与聚多巴胺的标准IR图谱比对，可以发现这些薄膜中含有聚多巴胺。

另外，本实施例1制备的一些典型碳纳米管/聚多巴胺薄膜样品(采用的多巴胺盐酸盐分别为1、5、10份)的拉伸性能如图2所示(分别对应于图2中的“碳纳米管/聚多巴胺(1)薄膜”、“碳纳米管/聚多巴胺(5)薄膜”、“碳纳米管/聚多巴胺(10)薄膜”)。

比较例1传统碳纳米管薄膜的制备：

称量10份碳纳米管和4份聚乙烯吡咯烷酮，加入200份水，高压均质分散1～60min(优选为30min)，得到碳纳米管分散液。

通过真空抽滤获得半湿碳纳米管薄膜，常温空气中干燥48h以上。干燥后，将碳纳米管薄膜从滤纸上剥离，并在温度为20℃～200℃、1Mpa～10Mpa压缩1h～10h，优选为50℃～150℃、5Mpa～8Mpa压缩2h～6h，更优选为100℃、8Mpa压缩2h，获得目标碳纳米管薄膜。

比较例1与实施例1的区别主要在于，所制备的薄膜中含有聚多巴胺质量分数的多少，在实施例1中碳纳米管分散液中添加有不同质量分数的多巴胺单体，并进行了聚合，而比较例1中碳纳米管分散液中未加入多巴胺单体。

该比较例1制备的碳纳米管薄膜的拉伸性能如图2所示(图2中的“碳纳米管薄膜”)。

显然，从图2所示的结果可以看出，本发明碳纳米管/聚多巴胺薄膜的力学性能与传统碳纳米管薄膜相比有非常大幅度的提升。此外，碳纳米管/聚多巴胺薄膜的力学性能随加入聚多巴胺质量分数的变化而变化，可根据目标薄膜应用领域进行调控。

应用例1碳纳米管/聚多巴胺薄膜在污水处理中的应用

配制亚甲基蓝水溶液，将图1所示的碳纳米管/聚多巴胺薄膜作为过滤膜对亚甲基蓝溶液进行过滤，结果如图3所示。可见利用该碳纳米管/聚多巴胺薄膜过滤后，亚甲基蓝溶液颜色由深蓝色变为无色，表明所制备的碳纳米管/聚多巴胺薄膜具有优异的吸附性。再加上所制备的碳纳米管/聚多巴胺薄膜优异的力学性能，该薄膜在可自支撑的过滤膜领域具有应用前景。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种高强度碳纳米管薄膜，其特征在于包括由碳纳米管构成的网络骨架结构以及分布于所述网络骨架结构中的聚多巴胺。

2.根据权利要求1所述的高强度碳纳米管薄膜，其特征在于所述薄膜包含40wt％～80wt％碳纳米管和1wt％～40wt％聚多巴胺。

3.根据权利要求1所述的高强度碳纳米管薄膜，其特征在于所述薄膜的厚度在1μm以上，抗拉伸强度在80Mpa以上。

4.一种高强度碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于包括：

将碳纳米管分散在选定溶剂中，形成均匀稳定的碳纳米管分散液；

在所述碳纳米管分散液中加入缓冲物质形成缓冲体系，再加入多巴胺单体并均匀混合，且使多巴胺发生自聚合，从而形成碳纳米管/聚多巴胺分散液；

对所述碳纳米管/聚多巴胺分散液进行成膜处理，获得所述碳纳米管薄膜。

5.根据权利要求4所述高强度碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于所述碳纳米管分散液的浓度为0.01-10mg/mL。

6.根据权利要求4或5所述高强度碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于所述碳纳米管分散液还含有分散剂，所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、曲拉通、十二烷基苯磺酸钠中的任一种或两种以上的组合。

7.根据权利要求4所述高强度碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于所述缓冲体系的pH值为7～9，优选为8.5。

8.根据权利要求4或7所述高强度碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于所述缓冲物质包括三羟甲基氨基甲烷以及酸。

9.根据权利要求4所述高强度碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于在多巴胺单体与所述缓冲体系形成的混合体系中，多巴胺单体的浓度为1wt％-40wt％。

10.根据权利要求4所述高强度碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于具体包括：

对所述碳纳米管/聚多巴胺分散液进行抽滤处理，获得碳纳米管薄膜初成品；

以及，对所述碳纳米管薄膜初成品进行干燥处理，之后在20℃～200℃、1Mpa～10Mpa压缩1h～10h，获得碳纳米管薄膜成品。

11.一种设备，其特征在于包含权利要求1-3中任一项所述的高强度碳纳米管薄膜或由权利要求4-10中任一项方法制备的高强度碳纳米管薄膜。