TWI406812B - 奈米碳管絲 - Google Patents

Description

奈米碳管絲

本發明涉及一種奈米碳管材料，尤其涉及一種奈米碳管絲。

奈米碳管係1991年由日本科學家飯島澄男教授發現之一種由石墨烯片卷成之中空管狀物，其具有優異之力學、熱學及電學性質。奈米碳管應用領域非常廣闊，例如，它可用於製作場效應電晶體、原子力顯微鏡針尖、場發射電子槍、奈米模板等。然，目前基本上都係於微觀尺度下應用奈米碳管，操作較困難。故，將奈米碳管組裝成宏觀尺度之結構對於奈米碳管於宏觀領域之應用具有重要意義。

范守善等人於Nature,2002,419：801,Spinning Continuous CNT Yarns一文中揭露了從一超順排奈米碳管陣列中可以拉出一根連續純奈米碳管線，這種奈米碳管線包括複數於凡德瓦爾力作用下首尾相接之奈米碳管片段，每個奈米碳管片段具有大致相等之長度，且每個奈米碳管片段由複數相互平行之奈米碳管束構成。如第一圖所示為一個從一超順排奈米碳管陣列10拉出一根連續奈米碳管線14之簡單模型。複數奈米碳管片段12於凡德瓦爾力作用下首尾相接構成連續之奈米碳管線14。然，單根這種奈米碳管線14之機械強 度及韌性等都比較差，例如，拉出一根200微米寬之線需要0.1毫牛頓力，而只要0.5毫牛頓力就可將其折斷。

為了更好地將這種奈米碳管線應用於宏觀領域，我們將複數根這種奈米碳管線14合併於一起構成一奈米碳管膜，這種奈米碳管膜之機械強度及韌性等都比單根奈米碳管線要好。然，通常這種奈米碳管膜有數釐米寬，卻只有數微米厚，其表面非常乾淨，表面體積比非常大，故其具有很強之黏性，一旦接觸到其他物體便會黏住且很難分開，因而大大限製了該種奈米碳管膜於宏觀領域之進一步應用。

有鑒於此，提供一種可方便地應用於宏觀領域之奈米碳管絲實為必要。

下面將以具體實施例說明一種可方便地應用於宏觀領域之奈米碳管絲。

一種奈米碳管絲，其係由複數根奈米碳管線緊密結合於一起所構成，其中，所述奈米碳管線包括複數首尾相接之奈米碳管片段，每個奈米碳管片段具有大致相等之長度，且每個奈米碳管片段由複數相互平行之奈米碳管束構成。

所述奈米碳管絲由複數根奈米碳管線緊密結合於一起所構成，其中，所述奈米碳管線包括複數首尾相接之奈米碳管片段，每個奈米碳管片段具有大致相等之長度，且每個奈米碳管片段由複數相互平行之奈米碳管束構成。該奈米碳管絲表面 體積比小，無黏性，且具有良好之機械強度及韌性，能方便地應用於宏觀領域。

10、20‧‧‧奈米碳管陣列

12‧‧‧奈米碳管片段

14、22‧‧‧奈米碳管線

24‧‧‧奈米碳管膜

30‧‧‧奈米碳管絲

40‧‧‧第一容器

42‧‧‧流道

44‧‧‧通孔

50‧‧‧有機溶劑

60‧‧‧第二容器

70‧‧‧電機

80‧‧‧線軸

第一圖係先前技術中從一超順排奈米碳管陣列拉出一根連續奈米碳管線之模型圖。

第二圖係本發明實施例製作奈米碳管絲之過程示意圖。

第三圖係本發明實施例中奈米碳管膜之SEM照片。

第四圖係本發明實施例中第一容器之流道於其通孔處之截面圖。

第五圖係本發明實施例製得奈米碳管絲之SEM照片。

下面將結合附圖對本發明實施例作進一步詳細說明。

本實施例所提供之一種奈米碳管絲之製作方法，包括以下步驟：提供一奈米碳管陣列；採用一拉伸工具從該奈米碳管陣列拉取一奈米碳管膜；將拉出之奈米碳管膜經由一有機溶劑浸潤處理後收縮成為一奈米碳管絲；收集所製得之奈米碳管絲。

請參閱第二圖至第五圖，以下將具體介紹各個步驟：

(1)提供一奈米碳管陣列20。優選的，該奈米碳管陣列20為超順排奈米碳管陣列。本實施例採用化學氣相沈積法生長該超順排奈米碳管陣列20，可參見中國大陸專利申請公開第 02134760.3號。該超順排奈米碳管陣列20之生長方法主要包括以下步驟：(a)提供一平滑基底，該基底可選用p型或n型矽基底；(b)於該基底上沈積一催化劑層，該催化劑層之材質可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其合金之一；(c)將沈積有催化劑層之基底於保護氣體中以300~400℃溫度進行退火處理，時間約為10小時；(d)將退火處理後之沈積有催化劑層之基底加熱至500~700℃，通入碳源氣與保護氣體之混合氣體，控製該碳源氣之流速，使催化劑與環境之溫度差為50℃以上，控製該混合氣體之流速比，使碳源氣之分壓低於20%，反應5~30分鐘，奈米碳管陣列將從基底長出。其中，碳源氣為碳氫化合物，可為乙炔、乙烷等，優選用乙炔，該保護氣體為惰性氣體或氮氣。由上述方法製得之超順排奈米碳管陣列20中之奈米碳管呈束狀密集排列，具有很高之表面密度，且奈米碳管束之間存在很強之凡德瓦爾力，其不僅直徑大小分佈比較集中，而且直徑大小幾乎相同。

(2)採用一拉伸工具從該奈米碳管陣列20中拉取一奈米碳管膜24。其可按以下方法操作：(a)從上述奈米碳管陣列20中選定一包括複數奈米碳管束之奈米碳管片段；(b)使用拉伸工具，如鑷子，沿起始拉力方向拉伸該奈米碳管片段。在該拉伸過程中，奈米碳管片段於拉力作用下沿拉力方向伸長之同時，奈米碳管片段兩端將由於凡德瓦爾力之作用而首尾相接地連接於一起，從而形成一連續之奈米碳管線22，該奈米碳管線22類似於第一圖模型中之奈米碳管線14。反復拉取複 數次，使拉出之複數根奈米碳管線22合併於一起構成所述奈米碳管膜24。這種新拉出來之奈米碳管膜24有數微米厚、數釐米寬，如第三圖所示即為本實施例中新拉出之奈米碳管膜24之SEM照片。

(3)將拉出之奈米碳管膜24經由一有機溶劑浸潤處理後收縮成為一奈米碳管絲30。具體操作如下：於奈米碳管膜24之一側斜上方放置一第一容器40，其用於盛裝處理奈米碳管膜24之有機溶劑50。該有機溶劑50為揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷及氯仿，本實施例中採用乙醇。該容器40具有一流道42，該流道42有一通孔44，用於給奈米碳管膜24供給有機溶劑。如第四圖所示為流道42於其通孔44處之截面圖。將所述奈米碳管膜24收攏並使其穿過所述通孔44。有機溶劑50從流道42流出，同時將奈米碳管膜24從流道42之通孔連續拉伸出，使奈米碳管膜24於流道42之通孔44處被有機溶劑50浸潤。當然，亦可不用收攏奈米碳管膜24，直接用一個可使該奈米碳管膜24穿過且可浸潤該奈米碳管膜24之裝置。於流道42之通孔44下方放置一第二容器60，用於盛裝遺漏之有機溶劑。將奈米碳管膜24經揮發性有機溶劑50浸潤處理後，將該奈米碳管膜24拉過該通孔44時，於揮發性有機溶劑50表面張力作用下，奈米碳管膜24收縮成直徑為20~30微米之奈米碳管絲30。如第五圖所示即為所製得之奈米碳管絲30之SEM照片。該奈米碳管絲30係由複數根奈米碳管線緊密結合於一起所構成，其中，所述奈米碳管線包括複數首尾相 接之奈米碳管片段，每個奈米碳管片段具有大致相等之長度，且每個奈米碳管片段由複數相互平行之奈米碳管束構成。該奈米碳管絲30表面體積比小，無黏性，且具有良好之機械強度及韌性，能方便地應用於宏觀之各個領域。

(4)收集所製得之奈米碳管絲30。具體為採用電機70將該奈米碳管絲30卷到線軸80上即可。當然亦可採用手工將其卷到線軸上，使其可方便地於宏觀領域進一步應用。

當然，可以理解，亦可以將拉取出來之整個奈米碳管膜完全浸泡於有機溶劑內使其浸潤後從該有機溶劑中取出，於該有機溶劑之表面張力作用下，該奈米碳管膜亦可收縮成一奈米碳管絲，再用線軸等工具將該奈米碳管絲卷起收集即可。

綜上所述，本發明確已符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，於援依本案發明精神所作之等效修飾或變化，皆應包含於以下之申請專利範圍之內。

20‧‧‧奈米碳管陣列

22‧‧‧奈米碳管線

24‧‧‧奈米碳管膜

30‧‧‧奈米碳管絲

40‧‧‧第一容器

42‧‧‧流道

50‧‧‧有機溶劑

60‧‧‧第二容器

70‧‧‧電機

80‧‧‧線軸

Claims (7)

1. 一種奈米碳管絲，其係由複數根奈米碳管線成束狀緊密結合於一起所構成，該奈米碳管線包括複數首尾相接之奈米碳管片段，該奈米碳管片段沿奈米碳管絲的長度方向定向排列，且每個奈米碳管片段由複數相互平行之奈米碳管束構成，其中，該奈米碳管絲由一奈米碳管膜經由一有機溶劑浸潤處理後收縮而成，且該奈米碳管膜由所述複數根奈米碳管線合併於一起構成。
2. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管絲，其中，該奈米碳管絲之直徑為20~30微米。
3. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管絲，其中，每個奈米碳管片段具有相等之長度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管絲，其中，所述相鄰兩個奈米碳管片段之間通過凡德瓦爾力連接。
5. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管絲，其中，所述奈米碳管束之間通過凡德瓦爾力緊密結合。
6. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管絲，其中，所述奈米碳管束沿奈米碳管絲的長度方向定向排列。
7. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管絲，其中，所述奈米碳管膜係採用一拉伸工具從一奈米碳管陣列中拉取獲得。