一种高取向高致密化碳纳米管膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高取向高致密化碳纳米管膜及其制备方法，属于碳纳米管薄膜技术领域。本发明专利技术通过对无规取向的碳纳米管膜牵伸和加压密实，并且根据需要进行多次牵伸和加压密实的步骤，得到高取向碳纳米管膜，具有优异的力学性能，其中取向度可达9.2，体密度可达1.12g/cm3。经过两次牵伸和两次压实处理后的碳纳米管膜的断裂伸长率低于5%的情况下其拉伸强度达到652MPa；碳纳米管膜牵伸率可高达50%；可以制备数十厘米以上的较大尺寸的高取向高致密化碳纳米管膜。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，属于碳纳米管薄膜
。本专利技术通过对无规取向的碳纳米管膜牵伸和加压密实，并且根据需要进行多次牵伸和加压密实的步骤，得到高取向碳纳米管膜，具有优异的力学性能，其中取向度可达9.2，体密度可达1.12g/cm3。经过两次牵伸和两次压实处理后的碳纳米管膜的断裂伸长率低于5%的情况下其拉伸强度达到652MPa；碳纳米管膜牵伸率可高达50%；可以制备数十厘米以上的较大尺寸的高取向高致密化碳纳米管膜。【专利说明】
本专利技术涉及一种碳纳米管膜的制备方法，尤其涉及。
技术介绍
自1991年日本电镜专家Iijima在真空电弧蒸发的石墨电极中观察到碳纳米管(CNTs)以来，CNTs就因其独特的结构和优异的性能引起了世界范围内不同研究领域专家们的广泛兴趣。理论和实验结果均表明碳纳米管的拉伸强度和弹性模量分别高达200GPa和lTPa，同时碳纳米管具有优异电和热性能。碳纳米管潜在的应用领域包括太阳能电池、平板显示器、传感器、锂离子电池等。然而，碳纳米管为纳米材料，将其制备成宏观体才更具有实际应有价值。目前，碳纳米管宏观体包括碳纳米管阵列、碳纳米管纤维、碳纳米管丝带、碳纳米管膜等。碳纳米管膜是碳纳米管通过管间的范德华力相互缠结形成的自支撑膜状宏观体。但是，目前碳纳米管膜的性能远未达到预期水平，其主要原因为:碳纳米管膜中碳纳米管排列较疏松，碳纳米管在碳纳米管膜中的取向程度较差。因此，制备高取向高致密化碳纳米管膜是实现碳纳米管具体应用中一项关键技术。目前，取向碳纳米管膜的制备方法有磁场抽滤法、滚压法、牵引法。磁场抽滤法是基于碳纳米管分散液，故在分散过程中需要对碳纳米管进行物理或者化学处理，这将显著降低碳纳米管的性能，该方法仅适用于长径比小的碳纳米管，得到的碳纳米管的取向度较差，性能偏低。滚压法和牵引法是基于碳纳米管阵列进行一定的处理，碳纳米管膜的尺寸受到阵列尺寸规格的限制并且阵列的生产效率较低、生产成本较高。因此，迫切需要一种高效低成本技术来制备大尺寸的高取向高致密化碳纳米管膜。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高效的、低成本的、操作简便的方法来制备高取向高致密化碳纳米管膜。所述高取向高致密化碳纳米管膜的制备方法包括如下步骤:第一步，制备碳纳米管膜。第二步，对碳纳米管膜进行牵伸，第一次牵伸率20%~40%。第三步，对牵伸后的碳纳米管膜进行加压密实。第四步，如果密实后碳纳米管膜满足性能要求，则结束；否则重复牵伸和密实I~3次，直至牵伸后碳纳米管膜的断裂伸长率不高于5%，或者满足取向度的要求；每次牵伸的牵伸率小于上一次牵伸的牵伸率。优选的，二次牵伸的牵伸率为5%~15%之间，具体取值根据碳纳米管膜的检测数据进行选取。经过本专利技术制备方法所得到的碳纳米管膜，具有高取向高致密度，其中取向度可达9.2，体密度可达1.12g/cm3。本专利技术的优点在于: (I)本专利技术采用的碳纳米管膜由几十至几百层0.1 μ m的薄膜单元构成，碳纳米管在薄膜单元面内分布，是用于碳纳米管牵伸取向的理想材料。(2)本专利技术提供的制备方法对碳纳米管膜进行多次牵伸、压实，可获得高牵伸率，碳纳米管膜牵伸率可高达50%。(3)本专利技术制备的碳纳米管膜具有高取向度，由极化拉曼光谱测定的取向度(Ie///IG±)可达到9.2。(4)本专利技术制备的碳纳米管膜具有高致密度，碳纳米管膜密度达1.12g/cm3。(5)本专利技术制备的高取向碳纳米管膜具有优异的力学性能，经过两次牵伸和两次压实处理后的碳纳米管膜的断裂伸长率低于5%的情况下其拉伸强度达到652MPa。(6)本专利技术可以制备数十厘米以上的较大尺寸的高取向高致密化碳纳米管膜。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术中未牵伸无规取向碳纳米管膜表面形貌；图2是本专利技术中无规取向碳纳米管膜进行30%牵伸后碳纳米管膜的表面形貌；图3是本专利技术中无规取向碳纳米管膜经过30%牵伸并压实处理后的碳纳米管膜表面形貌；图4是本专利技术中 无规取向碳纳米管膜经过三个拉伸-压实循环处理后的碳纳米管膜的拉伸应力-应变曲线。【具体实施方式】下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本专利技术。本专利技术提供，所述制备方法包括如下步骤:第一步，制备无规取向的碳纳米管膜。所述碳纳米管膜采用气相沉积法进行制备，碳纳米管膜由几十至几百层0.1 μ m的薄膜单元构成，所述薄膜单元内碳纳米管交叉堆积，呈无规状态分布。气相沉积法制备碳纳米管膜包括以下步骤:(I)在惰性气体(如氩气、氢气或两者混合物)的保护作用下，将碳源乙醇、噻吩与催化剂二茂铁混合体系注入高温管式炉中。(2)在高温管式炉的另一端采用缠绕装置收集形成的碳纳米管气凝胶，单层碳纳米管气凝胶薄膜厚度约为0.1 μ m，采用挥发性溶液喷洒于碳纳米管气凝胶，挥发性溶液挥发后形成碳纳米管膜，随着缠绕碳纳米管气凝胶厚度变化，最终碳纳米管膜厚度几微米至几百微米。这种碳纳米管膜的生产方法更容易实现连续批量化生产，而且通过调整高温管式炉的直径以及缠绕装置可以控制碳纳米管膜的尺寸，因而更能够满足实际的应用。上述方法中可以通过调节缠绕的时间来控制碳纳米管膜的厚度，但不低于0.1 μ m。改变生长条件可以得到单壁碳纳米管、少壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或多种，碳纳米管通过范德华力相互缠结形成自支撑碳纳米管膜。碳纳米管与碳纳米管膜几乎同时形成，因此碳纳米管的优异性能损耗较小。第二步，对碳纳米管膜进行牵伸，牵伸率20%~40%。气相沉积法制备碳纳米管膜中，碳纳米管随机取向。本专利技术采取机械牵伸这一简便方法提高碳纳米管膜的取向度。为保证牵伸过程正常进行，夹头间碳纳米管膜的长度与宽度比不低于3。牵伸速度0.1~0.5mm/min。牵伸过程中,碳纳米管沿牵伸方向择优取向，碳纳米管膜的宽度明显降低，厚度增大，碳纳米管与碳纳米管间作用力减弱。第三步，加压密实牵伸后的碳纳米管膜。为得到高取向度碳纳米管膜，增加碳纳米管间作用力，对牵伸后的碳纳米管膜主要采用物理密实方法进行压实，提高碳纳米管膜的密度，同时，亦可采用化学密实方法。所述物理密实方法包括以下步骤:(a)为防止密实过程中破坏碳纳米管膜结构，同时保证碳纳米管膜完整地从压实模具上取出，在碳纳米管膜与密实用平板模具中间放置一层隔离膜，如聚四氟乙烯膜。(b)将碳纳米管膜夹在两个平整的平板模具中，该平板模具由刚性材料制备，如碳钢。(C)将放好碳纳米管膜的平板模具置于加压装置中均匀加压，压力0.5~3.0MPa,加压时间不低于10分钟，卸掉压力并将碳纳米管膜从平板模具中取出。所述加压装置选择压机等。所述化学密实方法具体为:将牵伸后的碳纳米管膜浸入丙酮、乙醇或苯等溶剂中，浸润10~30分钟，将碳纳米管膜取出，放于真空烘箱内，加热至50~80°C促进溶剂挥发，由于液体表面张力作用，溶剂挥发同时，碳纳米管膜逐渐密实。为得到高取向高 致密化的碳纳米管膜，进行多次牵伸与加压密实处理过程I~3个循环，直至碳纳米管膜厚度维持不变。每次牵伸过程中碳纳米管膜长度与宽度比不低于3，牵伸速度0.1~0.5mm/min ;物理加压密实压力0.5~3.0MPa，加压时间不低于10分钟。经多次牵伸与加压密实处理后，碳纳米管膜伸长率可达到30%~50%，得到高取向高致密化碳纳米管膜，利用极化拉曼光谱表征，平行与垂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高取向高致密化碳纳米管膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，制备碳纳米管膜；第二步，对碳纳米管膜进行牵伸，牵伸率为20%～40%；第三步，对牵伸后的碳纳米管膜进行加压密实；所述的加压密实方法采用物理密实方法或化学密实方法；第四步，如果密实后碳纳米管膜满足性能要求，则结束；否则重复牵伸和密实1～3次，直至牵伸后碳纳米管膜的断裂伸长率不高于5%，或者满足取向度的要求；每次牵伸的牵伸率小于上一次牵伸的牵伸率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李敏，王绍凯，顾轶卓，刘千立，张佐光，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11