CN1570220A - 一种碳纳米管薄膜的电泳沉积制备方法 - Google Patents

Abstract

一种碳纳米管薄膜的电泳沉积制备方法，属于纳米材料技术领域，本方法包含碳纳米管的纯化处理和表面修饰、碳纳米管稳定悬浮液的形成、电泳沉积碳纳米管薄膜、薄膜烘干和二次电泳沉积几个步骤。本发明具有生产设备简单、成膜快、薄膜厚度可控、基底形状不受限制等优点，工艺简单，适合大批量生产。

Description

一种碳纳米管薄膜的电泳沉积制备方法

技术领域

本发明涉及碳纳米管薄膜的制备方法，特别是电泳沉积制备方法，属纳米材料技术领域。

背景技术

碳纳米管是目前人工制备的一种理想的一维纳米材料，由于本身组成结构的独特性，碳纳米管表现出许多独特的物理性质，在传感器、平板显示器、超级电容器、复合材料等方面得到了广泛的应用。其中，将碳纳米管按照一定规律组成的宏观薄膜结构在应用方面的前景更令人期待。

目前，碳纳米管薄膜的制备方法主要有直接生长法和后处理法两种。

直接生长法是利用电弧放电、激光烧蚀、化学气相沉积等制备方法，在一定材料的基底上直接生长碳纳米管薄膜。其优点是碳纳米管的结构、尺寸可以通过工艺条件来调节，而且可以通过基底或者催化剂的图形来实现碳纳米管的图形化；其缺点是需要各种处理方法来改进碳纳米管薄膜的性能、对基底的选择性比较强，而且由于目前工艺条件所限，这些工艺过程大都需要高温条件，因此无法使用低熔点的材料作为基底，例如有机玻璃，这大大限制了碳纳米管薄膜在传感器、场发射显示器件等方面的应用。同时，由于高温条件会破坏微电子电路，因此导致了碳纳米管薄膜的制备工艺与微电子工艺的不兼容性。

后处理法是在前面提到的几种方法制备出碳纳米管的基础上，对碳纳米管进行修饰和性能改进，然后通过一定的后处理工艺得到统一、均匀的碳纳米管薄膜。后处理法最大的特点是对基底的要求不高，避免了工艺中出现高温，有可能实现与微电子工艺的兼容。目前常见的后处理法制备碳纳米管薄膜的方法包括喷涂法、蒸发法等，这些方法虽然工艺简单，但成膜速度较慢，而且薄膜厚度较难控制，不适合大批量、自动化生产，工业推广实现较难。

电泳沉积是指依靠电场的作用，悬浮液中的带电固体微粒发生定向移动，并沉积在具有相反电荷和具有一定形状电极上的现象。它包括电泳和沉积两个步骤：电泳又叫电迁移，指带电粒子在一定介质中因电场作用而发生定向运动的物理化学现象；沉积是指颗粒聚集成膜或者块体。目前，电泳沉积在涂装技术方面的应用研究非常深入，以其膜厚均匀、外观良好、无环境危害、操作安全、工序自动化、适用于流水化生产等特点，在汽车、家电、轻工、金属等行业得到了非常广泛的应用。

目前，利用电泳沉积进行碳纳米管薄膜的制备面临的主要问题是薄膜厚度可控性差，薄膜均匀性差等。

发明内容

本发明的目的是提供一种可得到薄膜厚度均匀的碳纳米管薄膜的制备方法。本方法涉及一种利用电泳沉积制备碳纳米管薄膜的方法，包括以下五个步骤：

1.碳纳米管的纯化处理和表面修饰

将已经制备出的碳纳米管与浓度为30％的过氧化氢溶液混合，超声振荡10～120分钟后过滤出碳纳米管；使用二硫化碳洗涤碳纳米管3～5次；使用无水甲醇洗涤碳纳米管3～5次；烘干；将上述碳纳米管与浓酸混合后在70～150℃回流加热10～120分钟，所说的浓酸是指98％的浓硫酸、69％浓硝酸及两者的混合酸这三种中的任一种；过滤出碳纳米管；使用去离子水洗涤碳纳米管3～10次并烘干；

2.碳纳米管稳定悬浮液的形成

将上述碳纳米管分散在水或者有机溶剂中，所说的有机溶剂可以是乙醇、丙酮或者是它们的混合物中的任一种；加入无机盐，所说的无机盐可以是氯化镁、硝酸镁、氯化铝、硝酸铝中的任一种；超声振荡10～120分钟，静置10～120分钟，形成各种浓度的稳定的悬浮状电泳液；

3.电泳沉积碳纳米管薄膜

以生长薄膜所需的基底作为电泳池的阴极，所说的阴极可以是任何在电泳过程中不被腐蚀的导电材料，也可以是电泳过程中不被腐蚀的绝缘体或者半导体表面具有一定图形的导电材料；以金属电极作为阳极，所说的阳极可以是铂电极、金电极、铜电极中的任意一种；以碳纳米管悬浮液作为电泳液；在直流10～100伏特电压下，根据所需薄膜厚度电泳30秒～20分钟；

4.薄膜烘干

将阴极得到的产物连同阴极在0～200℃下烘干1～120分钟；

5.二次电泳

将阴极接着放入上述电泳池中进行二次电泳；30秒～20分钟后再将阴极得到的产物取出烘干，即可得到碳纳米管薄膜。

本发明较好的实施条件是：

碳纳米管直径小于80纳米。

碳纳米管长度小于30微米。

浓酸是由98％浓硫酸与69％浓硝酸按体积比3∶1混合而成的。

加热回流时间小于30分钟。

分散溶剂是无水乙醇。

无机盐是氯化镁或者硝酸镁。

阳极是铂电极。

电泳电压是50～80伏直流电。

电泳时间为1～20分钟。

晾干或烘干温度为10～50℃。

晾干或烘干时间为1～30分钟。

二次电泳时间为1～20分钟。

本发明的特点：

1.本发明所提供的方法得到的碳纳米管薄膜与其它已有方法相比，具有制作周期短、碳纳米管薄膜均匀致密、碳纳米管可以预先进行修饰处理等特点；

2.本发明可以通过改变沉积电压、沉积时间来控制碳纳米管薄膜的厚度；

3.本发明可以通过改变电极图案来控制碳纳米管薄膜的图形化；

4.本发明所采用的电泳沉积方法实施方便简单，对仪器要求不高，而且沉积过程易于外部调控；

5.本发明具有电泳时间短，电泳过程可以在多种溶剂中进行，特别是可以在水相和常用有机溶剂中进行，对环境污染小，且价格便宜，适用于工业化生产。

本发明具有生产设备简单、成膜快、薄膜厚度可控、用于沉积薄膜的基底形状不受限制等诸多优点，而且加工工艺简单，适合大批量、自动化生产，易于工业推广应用。

具体实施方式

实施例1

1.选用纳米聚团技术制备的多壁碳纳米管黑色粉体，纯度大于80％，内径2～30纳米，外径5～60纳米，聚团大小几十微米。将该碳纳米管与30％的过氧化氢溶液混合，超声振荡10分钟后过滤；使用二硫化碳反复洗涤碳纳米管三次；使用无水甲醇反复洗涤碳纳米管三次；烘干。将上述碳纳米管与75毫升98％浓硫酸、25毫升69％浓硝酸混合，在75℃回流加热10分钟，过滤出碳纳米管；使用去离子水洗涤碳纳米管并烘干。

2.称取上述碳纳米管50毫克，加入100毫升无水乙醇和512毫克氯化镁，超声振荡20分钟，静置30分钟，形成黑色、稳定的碳纳米管悬浮液。

3.将上述碳纳米管悬浮液作为电泳液，并以图形化金的硅片作为电泳池的阴极，以金片作为电泳池的阳极；阴极、阳极之间相对间距为4厘米；在电泳池的阴极和阳极之间加50伏特的直流电压，4分钟后将阴极取出。

4.将上述阴极在常温下静置2分钟30秒；

5.再次将阴极放入电泳池中，加50伏特的直流电压保持1分钟；将阴极取出，在常温下晾干。

结果可以得到以硅片为基底生长的黑色、均匀的、图形化的碳纳米管薄膜。测量结果显示，薄膜边缘平均厚度约为87微米。

实施例2

1.选用纳米聚团技术制备的多壁碳纳米管黑色粉体，纯度大于80％，内径2～30纳米，外径5～60纳米，聚团大小几十微米。将该碳纳米管与30％的过氧化氢溶液混合，超声振荡10分钟后过滤；使用二硫化碳反复洗涤碳纳米管三次；使用无水甲醇反复洗涤碳纳米管三次；烘干。将上述碳纳米管与75毫升98％浓硫酸、25毫升69％浓硝酸混合，在75℃回流加热10分钟，过滤出碳纳米管；使用去离子水洗涤碳纳米管并烘干。

2.称取上述碳纳米管50毫克，加入100毫升无水乙醇和512毫克氯化镁，超声振荡20分钟，静置30分钟，形成黑色、稳定的碳纳米管悬浮液。

3.将上述碳纳米管悬浮液作为电泳液，并以图形化金的硅片作为电泳池的阴极，以金片作为电泳池的阳极；阴极、阳极之间相对间距为1厘米；在电泳池的阴极和阳极之间加90伏特的直流电压，4分钟后将阴极取出。

4.将上述阴极在常温下静置2分钟；

5.再次将阴极放入电泳池中，加50伏特的直流电压保持1分钟；将阴极取出，在常温下晾干。

结果可以得到以硅片为基底生长的黑色、均匀的、图形化的碳纳米管薄膜。测量结果显示，薄膜边缘平均厚度约为245微米。

Claims (1)

1、一种碳纳米管薄膜的电泳沉积制备方法，包含碳纳米管的纯化处理和表面修饰、碳纳米管稳定悬浮液的形成、电泳沉积碳纳米管薄膜三个步骤，其特征是在碳纳米管薄膜形成后将其干燥，并进行二次电泳沉积。