CN109834960A - 一种碳纳米管膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于碳纳米材料技术领域，尤其涉及一种碳纳米管膜，所述碳纳米管膜包括碳纳米管和有机硅胶。本发明还涉及一种上述碳纳米管膜的制备方法，该方法包括如下步骤：1），将碳纳米管置于醇类溶剂中进行超声分散；2）将有机硅胶置于溶剂中，进行高速分散；3），将有机硅胶分散液与碳纳米管分散液混合，搅拌分散，得到均匀的混合液；4），将均匀的混合液置于相应的模具中；5），将放有混合液的模具置于真空环境中，进行高温干燥；6），取出干燥后的碳纳米管膜，进行辊压，得到所需的碳纳米管膜。本发明通过添加力学性能较强、化学性能较稳定的有机硅胶，既保证了碳纳米管膜良好的导电性，又使其具有良好的弯曲性能和强度。

Description

一种碳纳米管膜及其制备方法

技术领域

本发明属于碳纳米材料技术领域，尤其涉及一种碳纳米管膜及其制备方法。

背景技术

碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口)的一维量子材料，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。碳纳米管拥有极高的长径比结构，具有良好的导电性，力学性能优异，比表面积大。

目前的碳纳米管纸大多是采用碳纳米管与纤维混合来制备，如公开号为CN106396680A的发明专利，将碳管与分散剂混合于溶剂中，超声分散处理，再加入纸浆，高速剪切分散、混合，使用普通造纸工艺成型，然后对碳纸进行高温改性处理，再进行碳化处理，最后辊压成型；又如公开号为CN102877367A的发明专利，同样首先将碳管与分散剂混合，搅拌分散处理，然后加入短纤维，高速剪切分散，其后使用流延造纸工艺成型，最后经后处理取出分散剂，获得目标产物。这样工序较多，一方面增加了成本，另一方面分散剂容易影响碳纳米管的导电性，从而降低碳纳米管膜的性能。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种碳纳米管膜及其制备方法，不仅成本低、工序少、强度高、导电性好，耐弯曲性能好，而且适合大规模生产的。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种碳纳米管膜，所述碳纳米管膜包括碳纳米管和有机硅胶。

进一步地，所述碳纳米管膜中碳纳米管和有机硅胶的质量之比为50～99.9：0.1～50。

进一步地，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中至少一种。

本发明还提供一种上述的碳纳米管膜的制备方法，该方法包括如下步骤：

1）将碳纳米管置于醇类溶剂中，进行超声分散，得碳纳米管分散液；

2）将有机硅胶置于溶剂中，进行高速分散，得有机硅胶分散液；

3）将有机硅胶分散液与碳纳米管分散液混合，通过高速搅拌，得到均匀的混合液；

4）将均匀的混合液置于相应的模具中；

5）将放有混合液的模具置于真空环境中，进行高温干燥处理，去除溶剂；

6）取出干燥后的碳纳米管膜，采用辊压机对干燥的碳纳米管膜进行辊压，得到所需的碳纳米管膜。

进一步地，步骤1）中碳纳米管的质量（mg）与醇类溶剂的体积（mL）之比为0.1mg/mL～1mg/mL。

进一步地，步骤2）中有机硅胶的质量（mg）与醇类溶剂的体积（mL）之比为0.5mg/mL～10mg/mL。

进一步地，步骤1）中超声分散的功率为30W～600W，超声分散的时间为0.1h～5h；步骤2）中高速分散的转速为5000～50000rpm，高速分散的时间为0.1～10h；步骤3）中高速搅拌的转速为100～20000rpm。

进一步地，所述模具材质为玻璃、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯中的任意一种。

进一步地，步骤5）中的高温干燥的温度为50℃-300℃，时间为0.1h～24h；真空环境的真空度为0.08-0.1Mpa。

进一步地，步骤2）中溶剂为水、正己烷、乙醇、乙二醇、异丙醇、正丁醇中的任意一种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的碳纳米管膜包含碳纳米管与有机硅胶，有机硅胶的力学性能强，能够增强碳纳米管膜的机械性能；同时，有机硅胶化学性能稳定，不会影响碳纳米管膜整体的导电性；因此，通过添加有机硅胶，既保证了碳纳米管膜具有良好的导电性，又使其具有良好的耐弯曲性能和强度；

（2）有机硅胶表面张力弱、表面能小，能提高碳纳米管膜的成膜能力；

（3）本发明的碳纳米管膜的制备工序少，工艺简单，不引入额外的官能团，具有很高的清洁度；在干燥过程中，溶剂可回收循环使用；同时，本发明的模具可根据客户需求定制，且可重复利用，不会造成活性材料损耗，降低了生产成本，为大规模生产提供了有力的条件；

（4）本发明的碳纳米管膜中碳纳米管分子间通过范德华力和长径分子之间的交联作用相互缠结；同时，有机硅胶分子以硅氧键(-Si-O-Si-)为骨架，形成四维网状结构，为碳纳米管提供支撑，提高碳纳米管膜的柔性和可弯曲性能。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种碳纳米管膜，所述碳纳米管膜包括碳纳米管和有机硅胶。本实施例的碳纳米管膜包含碳纳米管与有机硅胶，有机硅胶的力学性能强，能够增强碳纳米管膜的机械性能；同时，有机硅胶化学性能稳定，不会影响碳纳米管膜整体的导电性；因此，通过添加有机硅胶，既保证了碳纳米管膜良好的导电性，又使其具有良好的弯曲性能和强度。

进一步地，所述碳纳米管膜中碳纳米管和有机硅胶的质量之比为50～99.9：0.1～50。

进一步地，碳纳米管为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的至少一种。

本发明还提供一种上述的碳纳米管膜的制备方法，该方法包括如下步骤：

1）将碳纳米管置于醇类溶剂中，进行超声分散，得碳纳米管分散液；

2）将有机硅胶置于溶剂中，进行高速分散，得有机硅胶分散液；

3）将有机硅胶分散液与碳纳米管分散液混合，通过高速搅拌，得到均匀的混合液；

4）将均匀的混合液置于相应的模具中；

5）将放有混合液的模具置于真空环境中，进行高温干燥处理，去除溶剂；

6）取出干燥后的碳纳米管膜，采用辊压机对干燥的碳纳米管膜进行辊压，得到所需的碳纳米管膜。

本实施中，碳纳米管在醇类溶剂中有较好的相容性，通过超声分散的作用，使碳纳米管分子之间在溶液中实现整体的分散状态；提前高速搅拌，分散有机硅胶，将有机硅胶分散液与碳纳米管分散液混合，高速分散，使混合液更加均匀；之后在干燥过程中，碳纳米管分子间及有机硅胶间形成自组装效果，且结合力主要表现为分子范德华力和长径分子之间的交联作用。

在形成的碳纳米管膜中，碳纳米管分子间通过范德华力和长径分子之间的交联作用相互缠结；同时，有机硅胶表面张力弱、表面能小，能提高碳纳米管膜的成膜能力，且有机硅胶力学性能强，与碳纳米管均匀混合，能提高碳纳米管膜的柔性和可弯曲性能。

进一步地，步骤1）中碳纳米管的质量（mg）与醇类溶剂的体积（mL）之比为0.1mg/mL～1mg/mL。

进一步地，步骤2）中有机硅胶的质量（mg）与溶剂的体积（mL）之比为0.5mg/mL～10mg/mL。

进一步地，步骤1）中超声分散的功率为30W～600W，超声分散的时间为0.1h～5h，超声时间依据溶液的体积大小调整；步骤2）中高速分散的转速为5000～50000rpm，高速分散的时间为0.1～10h，分散时间依据溶液体积的大小调整；步骤3）中高速搅拌的转速为100～20000rpm。

进一步地，步骤1）中的醇类溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、正丁醇中至少一种；

进一步地，所述模具材质为玻璃、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯中的任意一种。本发明的模具的形状和尺寸等都可以根据客户需求制定，可用于制作不同规格和形状的碳纳米管膜。此外，模具可重复利用，不会造成活性材料损耗，降低了生产成本。

进一步地，步骤5）中的高温干燥的温度为50℃-300℃，时间为0.1h～24h；真空环境的真空度为0.08-0.1Mpa。本发明将混合液置于真空环境中高温干燥，提高干燥效率。

进一步地，步骤2）中溶剂为水、正己烷、乙醇、乙二醇、异丙醇、正丁醇中的任意一种。

实施例一

将单壁碳纳米管置于乙醇溶剂中，碳纳米管溶液浓度为0.1mg/mL；使用超声的方法在该溶剂中分散碳纳米管，超声功率60W，超声时间1h；将有机硅胶置于乙醇溶剂中，30000rpm分散2h，有机硅胶质量（mg）与醇类溶剂（mL）的比例为1mg/mL；分散结束后，将两种分散液混合，10000rpm高速搅拌1h，得到均匀的混合液；碳纳米管与有机硅胶的质量比为95:5；将均匀的混合液转入尺寸15*15*2cm的聚四氟乙烯模具中，在真空度0.9Mpa环境中进行高温干燥2h，干燥温度150℃；干燥完成后，将碳纳米管膜从模具中取出，选择性的进行压片，即得到所述的碳纳米管膜。

实施例二

将单壁碳纳米管和多壁碳纳米管以任意比例混合后置于正丁醇溶剂中，碳纳米管溶液浓度为1mg/mL。使用超声的方法在该溶剂中分散碳纳米管，超声功率100W，超声时间1.5h；将有机硅胶置于水中，10000rpm分散1.5h，有机硅胶质量（mg）与水（mL）的比例为0.5mg/mL；分散结束后，将两种分散液混合，8000rpm高速搅拌0.5h，得到均匀的混合液。碳纳米管与有机硅胶的质量比为99.5：0.5；将均匀的混合液转入尺寸50*50*1cm的玻璃模具中，在真空度0.85Mpa环境中进行高温干燥1h，干燥温度200℃；干燥完成后，将碳纳米管膜从模具中取出，选择性的进行压片，即得到所述的碳纳米管膜。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纳米管膜，其特征在于：所述碳纳米管膜包括碳纳米管和有机硅胶。

2.如权利要求1所述一种碳纳米管膜，其特征在于：所述碳纳米管膜中碳纳米管和有机硅胶的质量之比为50～99.9：0.1～50。

3.如权利要求1所述一种碳纳米管膜，其特征在于：所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中至少一种。

4.一种如权利要求1所述的碳纳米管膜的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1）将碳纳米管置于醇类溶剂中，进行超声分散，得碳纳米管分散液；

2）将有机硅胶置于溶剂中，进行高速分散，得有机硅胶分散液；

3）将有机硅胶分散液与碳纳米管分散液混合，通过高速搅拌，得到均匀的混合液；

4）将均匀的混合液置于相应的模具中；

5）将放有混合液的模具置于真空环境中，进行高温干燥处理，去除溶剂；

6）取出干燥后的碳纳米管膜，采用辊压机对干燥的碳纳米管膜进行辊压，得到所需的碳纳米管膜。

5.如权利要求4所述的碳纳米管膜的制备方法，其特征在于：步骤1）中碳纳米管的质量（mg）与醇类溶剂的体积（mL）之比为0.1mg/mL～1mg/mL。

6.如权利要求4所述的碳纳米管膜的制备方法，其特征在于：步骤2）中有机硅胶的质量（mg）与溶剂的体积（mL）之比为0.5mg/mL～10mg/mL。

7.如权利要求4所述的碳纳米管膜的制备方法，其特征在于：步骤1）中超声分散的功率为30W～600W，超声分散的时间为0.1h～5h；步骤2）中高速分散的转速为5000～50000rpm，高速分散的时间为0.1～10h；步骤3）中高速搅拌的转速为100～20000rpm。

8.如权利要求4所述的碳纳米管膜的制备方法，其特征在于：所述模具材质为玻璃、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯中的任意一种。

9.如权利要求4所述的碳纳米管膜的制备方法，其特征在于：步骤5）中的高温干燥的温度为50℃-300℃，时间为0.1h～24h；真空环境的真空度为0.08-0.1Mpa。

10.如权利要求4所述的碳纳米管膜的制备方法，其特征在于：步骤2）中溶剂为水、正己烷、乙醇、乙二醇、异丙醇、正丁醇中的任意一种。