TW201323325A - 奈米碳管膜的製備方法 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種奈米碳管膜的製備方法，包括，提供一奈米碳管陣列以及一旋轉軸；從所述奈米碳管陣列中拉取一奈米碳管初級膜，並將所述一奈米碳管初級膜固定於所述旋轉軸；旋轉所述旋轉軸，將所述奈米碳管初級膜纏繞於所述旋轉軸形成一奈米碳管層；以及將所述奈米碳管層沿平行於所述旋轉軸軸向的方向斷開，形成一奈米碳管膜。

Description

奈米碳管膜的製備方法

本發明涉及一種奈米碳管膜的製備方法。

從1991年日本科學家飯島澄男首次發現奈米碳管（Carbon Nanotube, CNT）以來，以奈米碳管為代表的奈米材料以其獨特的結構和性質引起了人們極大的關注。近幾年來，隨著奈米碳管及奈米材料研究的不斷深入，其廣闊應用前景不斷顯現出來。例如，由於奈米碳管所具有的獨特的電磁學、光學、力學、化學性能等，使其在場發射電子源、超薄平面顯示器、陰極電極、生物感測器等領域具有廣泛的應用前景。

然，一般情況下製備得到的奈米碳管為微觀結構，其在宏觀上為粉末狀或顆粒狀，不利於奈米碳管的宏觀應用。因此，將奈米碳管組裝成宏觀尺度的結構對於奈米碳管的宏觀應用具有重要意義。

先前技術中，宏觀的奈米碳管結構主要為一奈米碳管膜，該奈米碳管膜為從一奈米碳管陣列中直接拉取獲得的薄片狀結構，該奈米碳管膜的強度較低，為了提高該奈米碳管膜的強度一般將複數個奈米碳管膜一個一個相互堆疊形成一強度較高的奈米碳管膜狀結構。然而，使用堆疊法製備的奈米碳管膜狀結構，工藝較為複雜且製備週期較長。

有鑒於此，提供一種簡單、快速製備奈米碳管膜的方法實為必要。

一種奈米碳管膜的製備方法，包括：提供一奈米碳管陣列以及一旋轉軸；從所述奈米碳管陣列中拉取一奈米碳管初級膜，並將所述一奈米碳管初級膜固定於所述旋轉軸，所述旋轉軸具有一旋轉軸心；旋轉所述旋轉軸，所述奈米碳管初級膜連續地從所述奈米碳管陣列中拉出並纏繞於所述旋轉軸形成一奈米碳管層；以及將所述奈米碳管層沿平行於所述旋轉軸軸向的方向斷開，形成一奈米碳管膜。

相較先前技術，本發明通過從一奈米碳管陣列中拉取一奈米碳管初級膜，並將所述奈米碳管初級膜通過一旋轉軸快速的纏繞於所述旋轉軸的表面形成一奈米碳管層，最後將所述奈米碳管層斷開，從而快速的製備所述奈米碳管膜。該方法可用於簡單、快速地製備具有一定厚度的大尺寸的奈米碳管膜。

下面將結合附圖對本發明實施例作進一步的詳細說明。

請參閱圖1，本發明實施例提供一種所述奈米碳管膜的製備方法。該奈米碳管膜的製備方法主要包括以下幾個步驟：（S10）提供一奈米碳管陣列10以及一旋轉軸20；（S11）從所述奈米碳管陣列10中拉取一奈米碳管初級膜14，並將所述一奈米碳管初級膜14固定於所述旋轉軸20；（S12）旋轉所述旋轉軸20，所述奈米碳管初級膜14連續地從所述奈米碳管陣列10中拉出並纏繞於所述旋轉軸20形成一奈米碳管層16；以及（S14）將所述奈米碳管層16沿平行於所述旋轉軸20軸向的方向斷開，形成一奈米碳管膜18。

步驟S10，提供一奈米碳管陣列10以及一旋轉軸20。

所述奈米碳管陣列10形成於一基底12的表面。該奈米碳管陣列10由複數個奈米碳管組成。該複數個奈米碳管為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或多種。所述奈米碳管的直徑為0.5~50奈米，長度為50奈米~5毫米。該奈米碳管的長度優選為100微米~900微米。本實施例中，該複數個奈米碳管為多壁奈米碳管，且該複數個奈米碳管基本上相互平行且垂直於所述基底12，該奈米碳管陣列10不含雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。所述奈米碳管陣列10的製備方法不限，可參見台灣專利公告第TW I303239號。優選地，該奈米碳管陣列10為超順排奈米碳管陣列。

所述旋轉軸20為一圓柱體，該旋轉軸20固定於一電機（圖未標示），並可以在所述電機的帶動下，繞所述旋轉軸20的軸心以一定轉速旋轉。所述旋轉軸20的外徑不限，可以根據實際需要的奈米碳管膜的長度選擇；該旋轉軸20的長度不限，可以根據所述奈米碳管陣列的寬度選擇。所述旋轉軸20的材料不限。所述旋轉軸20的外表面可進一步包括一包覆層22，該包覆層22可均勻地包覆在所述圓柱體的圓柱面。該包覆層22具有複數個均勻分佈的微孔。該微孔的直徑可以為10奈米～1毫米，相鄰的微孔之間的間距為10奈米～0.1毫米，該微孔的深度為10奈米～1毫米。可以理解，所述微孔也可以採用其他不同結構的組合。只需滿足所述微孔的直徑和間距的比值大於等於10：1，且所述微孔的間距小於等於100微米，使得所述複數個微孔的總凹陷面積大於等於所述圓柱面面積的80%。該包覆層22的材料選自金屬、金屬氧化物、陶瓷、橡膠等材料。本實施例中，所述包覆層22為一陽極氧化鋁層。該陽極氧化鋁層為通過陽極氧化法製備得到。該陽極氧化鋁層具有複數個均勻分佈的微孔，相鄰的微孔之間的距離約為50微米，該微孔的直徑約為500微米。

步驟S11，從所述奈米碳管陣列10中拉取一奈米碳管初級膜14，並將所述一奈米碳管初級膜14固定於所述旋轉軸20上。

首先，採用一拉伸工具從所述奈米碳管陣列10中選定複數個奈米碳管，本實施例優選為採用具有一定寬度的膠帶或黏性基條接觸該奈米碳管陣列10以選定具有一定寬度的複數個奈米碳管；以一定速度拉伸該選定的奈米碳管，該拉取方向沿基本垂直於奈米碳管陣列10的生長方向。從而形成首尾相連的複數個奈米碳管，進而形成一連續的奈米碳管初級膜14。在上述拉伸過程中，該複數個奈米碳管在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離基底的同時，由於凡得瓦力作用，該選定的複數個奈米碳管分別與其他奈米碳管首尾相連連續地被拉出，從而形成所述奈米碳管初級膜14。該奈米碳管初級膜14中的複數個奈米碳管定向排列且通過凡得瓦力首尾相連。該奈米碳管初級膜14中奈米碳管的排列方向基本平行於該奈米碳管初級膜14的拉伸方向。

請參見圖2，所述奈米碳管初級膜14係由若干奈米碳管組成的自支撐結構。所述若干奈米碳管基本沿同一方向擇優取向排列，所述擇優取向排列係指在奈米碳管初級膜14中大多數奈米碳管的整體延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多數奈米碳管的整體延伸方向基本平行於奈米碳管初級膜14的表面。進一步地，所述奈米碳管初級膜14中大多數奈米碳管係通過凡得瓦力首尾相連。具體地，所述奈米碳管初級膜14中基本朝同一方向延伸的大多數奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連。當然，所述奈米碳管初級膜14中存在少數隨機排列的奈米碳管，這些奈米碳管不會對奈米碳管初級膜14中大多數奈米碳管的整體取向排列構成明顯影響。所述自支撐為奈米碳管初級膜14不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身膜狀狀態，即將該奈米碳管初級膜14置於（或固定於）間隔一定距離設置的兩個支撐體上時，位於兩個支撐體之間的奈米碳管初級膜14能夠懸空保持自身膜狀狀態。所述自支撐主要通過奈米碳管初級膜14中存在連續的通過凡得瓦力首尾相連延伸排列的奈米碳管而實現。

具體地，所述奈米碳管初級膜14中基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管，並非絕對的直線狀，可以適當的彎曲；或者並非完全按照延伸方向上排列，可以適當的偏離延伸方向。因此，不能排除所述奈米碳管初級膜14中基本朝的基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管中並列的奈米碳管之間可能存在部分接觸。

具體地，所述，所述奈米碳管初級膜14中基本朝包括複數個連續且定向排列的奈米碳管片段。該複數個奈米碳管片段通過凡得瓦力首尾相連。每一奈米碳管片段包括複數個相互平行的奈米碳管，該複數個相互平行的奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合並形成複數個間隙。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該，所述奈米碳管初級膜14中基本朝中的奈米碳管沿同一方向擇優取向排列。

其次，將所述奈米碳管初級膜14固定於所述旋轉軸20上。此時，所述奈米碳管初級膜14一端連接所述奈米碳管陣列10，另一端固定於所述旋轉軸20的表面。由於所述奈米碳管初級膜14具有較大的比表面積，且基本不含無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等雜質，故，該奈米碳管初級膜14本身具有較大的黏性，因此，該奈米碳管初級膜14可以通過本身的黏性固定於所述旋轉軸20上。當然也可以選用其他黏結劑將所述奈米碳管初級膜14固定於所述旋轉軸20。

進一步，將所述奈米碳管初級膜14的一端固定於所述旋轉軸20，調整所述旋轉軸20的位置，使該奈米碳管初級膜14與基底12的表面將形成一交叉角α，該交叉角小於90度。優選地，該交叉角0°≦α≦30°，即，該奈米碳管初級膜14與所述奈米碳管陣列10中奈米碳管的延伸方向形成一60°到90°的夾角；更優選地，該交叉角0°≦α≦5°，即，該奈米碳管初級膜14與所述奈米碳管陣列10中奈米碳管的延伸方向形成一85°到90°的夾角。本實施例中，所述交叉角α為3°。此時，所述奈米碳管初級膜14一端連接所述奈米碳管陣列10，另一端固定於所述旋轉軸20的表面。

步驟S12，旋轉所述旋轉軸20，所述奈米碳管初級膜14連續地從所述奈米碳管陣列10中拉出並纏繞於所述旋轉軸20形成一奈米碳管層16。

通過控制所述電機運轉帶動所述旋轉軸20以一定的轉速並沿同一方向旋轉，所述奈米碳管初級膜14就可以從所述奈米碳管陣列10中連續地拉出，並均勻地纏繞於所述旋轉軸20的表面從而形成所述奈米碳管層16。具體地，控制所述電機運轉帶動所述旋轉軸20以一定的轉速旋轉。由於從所述奈米碳管陣列10拉出的所述奈米碳管初級膜14的一端被固定於所述旋轉軸20表面，因此，所述旋轉軸20對所述奈米碳管初級膜14會產生一個沿該奈米碳管初級膜14延伸方向的拉力，從而使得該奈米碳管初級膜14連續地從奈米碳管陣列10中拉出並纏繞於所述旋轉軸，從而形成複數個奈米碳管初級膜14相互堆疊的奈米碳管層16。可以理解，當所述旋轉軸20的表面包括一包覆層22時，該奈米碳管初級膜14均勻地纏繞於所述包覆層22的表面從而形成所述奈米碳管層16。

所述旋轉軸20的轉速可以根據該奈米碳管初級膜14與基底12的表面所形成的交叉角α來選擇。這係由於當以交叉角α拉取該奈米碳管初級膜14時，該奈米碳管初級膜14中的奈米碳管與其延伸方向上相鄰的奈米碳管之間的凡得瓦力的大小與該交叉角α的大小有關。當0°≦α≦5°時，該奈米碳管初級膜14中的奈米碳管與其延伸方向上相鄰的奈米碳管之間具有較大的接觸面積及凡得瓦力，此時，可以用較大的轉速拉取奈米碳管初級膜14並將奈米碳管初級膜14纏繞於所述旋轉軸20上，而不會使該奈米碳管初級膜14斷裂或損壞，該旋轉軸20的線速度為0.01m/s~150m/s，優選的，該旋轉軸20的線速度為5m/s~15m/s。本實施例中，所述旋轉軸20的轉速為10m/s。

此外，可以通過所述旋轉軸20的旋轉圈數來控制纏繞於該旋轉軸20表面的奈米碳管層16的厚度。本實施例中，所述奈米碳管層16包括1000層奈米碳管初級膜14。此外，由於奈米碳管初級膜14本身具有較大的黏性，當奈米碳管初級膜14纏繞於所述旋轉軸20表面時，相互層疊的奈米碳管初級膜14之間會通過凡得瓦力的吸引而緊密地結合在一起。

可以理解，可以在所述旋轉軸20的一側平行設置一滾軸24，即，該滾軸24的軸心與所述旋轉軸20的軸心平行。該滾軸24與所述旋轉軸20形成線接觸。由於所述滾軸24與所述旋轉軸20形成線接觸，故，該滾軸24可以在所述旋轉軸20的帶動下旋轉，從而使該滾軸24可以在形成所述奈米碳管層16的過程中，同時擠壓纏繞於所述旋轉軸20上的奈米碳管層16，並使所述奈米碳管層16在所述滾軸24的作用下被壓實。該滾軸24的長度可以根據旋轉軸20的長度選擇。該滾軸24的材料不限，優選與所述奈米碳管層16作用力較小的材料，例如金屬、金屬氧化物及陶瓷等多孔材料或橡膠等。本實施例，所述滾軸24的材料為橡膠。

另外，可以在形成所述奈米碳管層16的過程中，在所述滾軸24表面噴灑一易揮發的有機溶劑，該易揮發的有機溶劑可以降低該所述奈米碳管層16與滾軸24表面的結合力，從而避免所述奈米碳管層16中的奈米碳管黏附與所述滾軸24表面。該易揮發的有機溶劑可選用乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中一種或者幾種的混合。本實施例中，所述易揮發的有機溶劑為乙醇。

另外，在形成所述奈米碳管層16後，還可以使用該易揮發的有機溶劑處理所述奈米碳管層。具體地可以將該易揮發的有機溶劑噴灑在奈米碳管層16表面或將整個奈米碳管層16及旋轉軸20浸沒入所述易揮發的有機溶劑；從而使奈米碳管層16中相鄰的奈米碳管之間緊密結合，並減小所述奈米碳管層16及旋轉軸20的作用力。

步驟S14，將所述奈米碳管層16沿平行於所述旋轉軸20軸向的方向斷開，形成一奈米碳管膜18。

所述將奈米碳管層16沿平行於所述旋轉軸20軸向的方向斷開的方法可以為機械切割法或雷射燒蝕法。

所述機械切割法包括：提供一切割工具；將所述切割工具沿所述奈米碳管層16上的一切割線將所述奈米碳管層16切開，其中，所述切割線平行於所述旋轉軸20軸心；將所述奈米碳管層16從所述旋轉軸20上剝離並鋪展開，從而形成所述奈米碳管膜18。

所述雷射燒蝕法包括：提供一雷射裝置；將所述雷射裝置沿所述奈米碳管層16上的一切割線聚焦照射一預定時間，使該切割線上的奈米碳管因高溫燒蝕而斷開，其中，所述切割線平行於所述旋轉軸20軸心；將所述奈米碳管層16從所述旋轉軸20上剝離並鋪展開，從而形成所述奈米碳管膜18。該雷射燒蝕法可以最大限度地減少污染物的引入。

可以理解，當所述旋轉軸20的表面包括一包覆層22時，由於該包覆層22具有複數個均勻分佈的微孔，故，該奈米碳管層16與所述包覆層22的有效接觸面積較小，該奈米碳管層16與所述包覆層22的有效接觸面積小於所述奈米碳管層16層面積的20%，故，該奈米碳管層16與所述包覆層22的作用力較小，使得該奈米碳管層16可以容易的與所述包覆層22剝離。

此外，形成所述奈米碳管膜18後，可以進一步使用一易揮發的有機溶劑處理所述奈米碳管膜18。具體地，將有機溶劑浸潤所述奈米碳管膜18的整個結構，在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，該奈米碳管膜18中的相互平行的複數個奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合，並使奈米碳管膜18中相鄰的奈米碳管初級膜14之間緊密結合。該有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿。本實施例中，該有機溶劑為乙醇。

所述奈米碳管膜18中的奈米碳管基本沿同一方向延伸。該奈米碳管膜18中的奈米碳管與在延伸方向的奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連。該奈米碳管膜18中的奈米碳管與其延伸方向相鄰的奈米碳管之間通過凡得瓦力緊密相連。該奈米碳管膜18具有較大的厚度，故，該奈米碳管膜18具有強度高、韌性大等特點；此外，由於該奈米碳管膜18中的奈米碳管基本沿同一方向延伸，故，該奈米碳管膜18在奈米碳管的延伸方向具有良好的導電性能，能方便地應用於複數個宏觀領域。

本發明實施例所提供的奈米碳管膜的製備方法具有以下優點。首先，本發明通過從一奈米碳管陣列中拉取一奈米碳管初級膜，並將所述奈米碳管初級膜通過一旋轉軸快速的纏繞於所述旋轉軸的表面形成一奈米碳管層，最後將所述奈米碳管層斷開，從而形成所述奈米碳管膜。該方法可用於簡單、快速地製備具有一定厚度的大尺寸的奈米碳管膜。其次，通過預先在所述旋轉軸的表面噴灑一易揮發的有機溶劑或包覆一具有多孔表面的包覆層，可以很容易將所述奈米碳管膜從所述旋轉軸的表面或包覆層表面上脫離。最後，通過控制奈米碳管初級膜與基底的表面所形成交叉角的大小，來控制所述旋轉軸的轉速，可以獲得較大的旋轉速度，從而可以快速地製備所述奈米碳管膜。此外，該奈米碳管膜的製備方法具有簡單、快速、適於工業化等特點。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10．．．奈米碳管陣列

12．．．基底

14．．．奈米碳管初級膜

16．．．奈米碳管層

18．．．奈米碳管膜

20．．．旋轉軸

22．．．包覆層

24．．．滾軸

α．．．交叉角

圖1為本發明實施例製備奈米碳管膜的流程圖。

圖2為本發明實施例中從奈米碳管陣列中拉取獲得的奈米碳管初級膜的掃描電鏡照片。

10．．．奈米碳管陣列

12．．．基底

14．．．奈米碳管初級膜

16．．．奈米碳管層

18．．．奈米碳管膜

20．．．旋轉軸

22．．．包覆層

24．．．滾軸

α．．．交叉角

Claims (12)

1. 一種奈米碳管膜的製備方法，包括：
   提供一奈米碳管陣列以及一旋轉軸；
   從所述奈米碳管陣列中拉取一奈米碳管初級膜，並將所述一奈米碳管初級膜固定於所述旋轉軸，所述旋轉軸具有一旋轉軸心；
   旋轉所述旋轉軸，所述奈米碳管初級膜連續地從所述奈米碳管陣列中拉出並纏繞於所述旋轉軸形成一奈米碳管層；以及
   將所述奈米碳管層沿平行於所述旋轉軸軸向的方向斷開，形成一奈米碳管膜。
2. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，將所述一奈米碳管初級膜固定於所述旋轉軸後，該奈米碳管初級膜與所述奈米碳管陣列中奈米碳管的延伸方向形成一交叉角，該夾角在60°～90°之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，該夾角在85°～90°之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，所述旋轉軸的線速度為0.01m/s~150m/s之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，所述將一奈米碳管初級膜纏繞於所述旋轉軸的過程中，該奈米碳管初級膜連續地從奈米碳管陣列中拉出並纏繞於所述旋轉軸。
6. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，在纏繞奈米碳管初級膜之前，在所述旋轉軸的外表面預先形成一包覆層。
7. 如申請專利範圍第6項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，所述包覆層具有複數個均勻分佈的微孔，該微孔的直徑可以為10奈米～1毫米，相鄰的微孔之間的間距為10奈米～0.1毫米，該微孔的深度為10奈米～1毫米。
8. 如申請專利範圍第6項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，所述包覆層具有複數個均勻分佈的微孔，所述微孔的直徑和間距的比值大於等於10：1，且所述微孔的間距小於等於100微米。
9. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管膜的製備方法，其特徵在於，所述將奈米碳管層沿平行於所述旋轉軸軸向的方向斷開的方法為機械切割法或雷射燒蝕法。
10. 如申請專利範圍第9項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，所述雷射燒蝕法包括以下步驟：
    提供一雷射裝置；
    將所述雷射裝置沿所述奈米碳管層上的一切割線聚焦照射一預定時間，使該切割線上的奈米碳管因高溫燒蝕而斷開，其中，所述切割線平行於所述旋轉軸的軸向。
11. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，進一步包括在所述旋轉軸的一側平行設置一滾軸，該滾軸用於在將所述奈米碳管初級膜纏繞於所述旋轉軸上形成奈米碳管層的過程中，擠壓並壓實所述奈米碳管層。
12. 如申請專利範圍第1項所述的奈米碳管膜的製備方法，其中，在形成所述奈米碳管層或奈米碳管膜之後，進一步使用一易揮發的有機溶劑處理所述奈米碳管層或奈米碳管膜。