一种超薄碳纳米管薄膜及其制备方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于制备碳纳米管薄膜的方法，包括：提供具有入口端和出口端的碳纳米管生长室，入口端和出口端之间至少包括相连通的第一级生长腔和第二级生长腔；使用于形成碳纳米管的前驱体材料至少在所述碳纳米管生长室的第一级生长腔内发生反应生成碳纳米管；使载气流入所述生长室，其中在所述第一级生长腔和第二生长腔的交界处，所述第一级生长腔在载气流动方向上的径向尺寸小于第二级生长腔的径向尺寸，且在第一级生长腔于第二级生长腔中开口的位置处，前驱体材料在载气的带动下产生吹泡过程，形成与第一级生长腔相连通的封闭的圆筒状碳纳米管薄膜。本发明专利技术提供的方法可连续直接制备不间断的超薄的自支撑的透明导电碳纳米管薄膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超薄碳纳米管薄膜及其制备方法和装置，尤其涉及一种连续的自支撑的透明导电碳纳米管薄膜及其制备方法和装置。
技术介绍
碳纳米管是一种具有优异而独特的光学、电学和力学特性的材料。碳纳米管在轴向具有高的电子传导能力，在径向则受到抑制，且对可见光和近红外光没有明显的特征吸收，这些特点使由碳纳米管或碳纳米管束构建的薄膜结构（称为碳纳米管薄膜）可以兼具透明和导电的能力。此外，碳纳米管薄膜具备良好的柔韧性，一定程度的弯曲和折叠对其导电能力影响较小，是有望替代ITO作为柔性透明导电薄膜的理想材料。碳纳米管透明导电薄膜可以广泛地应用于柔性电子器件，如：碳纳米管薄膜可作为透明柔性电极，应用于发光二极管(LED)，有机发光二极管(OLED)，太阳能电池，场发射和液晶显示器等领域。然而，碳纳米管薄膜的厚度通常应在100nm以下才能具有足够的透光率（70%左右，波长550nm）。目前，后沉积法是国内外报道的制备柔性透明导电碳纳米管薄膜的主要方法，如：溶液喷涂法、过滤转移法、旋涂法、提拉法、电沉积法等。后沉积法主要包括三步：1）碳纳米管提纯，2）碳纳米管分散，3）碳纳米管薄膜沉积。但是，后沉积法过程复杂，得到的碳纳米管薄膜需要依附在衬底上，而且涉及化学修饰过程，对碳纳米管薄膜的电学性质的影响不能确定。尤其是通过后沉积法难以得到自支撑、连续的柔性透明导电纯碳纳米管薄膜。多年来，为了避免化学修饰对碳纳米管薄膜的影响，人们不断探索通过直接或间接的非化学修饰过程获得柔性透明导电碳纳米管薄膜的制备方法。但是，由于受其制备条件的约束，直接生长的碳纳米管薄膜的厚度需大于100nm，因为小于100nm的薄膜无法从生长腔壁上被完整地揭下来，而且面积也受生长腔的制约，可得到的薄膜面积约100cm2，尚不能够连续制备，这无疑限制了直接制备的碳纳米管薄膜的规模化和进一步应用。因此，如何直接制备出连续的超薄的自支撑的透明导电碳纳米管薄膜，推动其规模化生产和在柔性透明电子器件中的广泛应用，是该领域科学工作者面临的重要挑战之一。近年来，人们已研究出多种合成连续的碳纳米管丝线和膜的方法，但是至今仍不能实现超薄（膜厚小于100nm）的自支撑的透明导电碳纳米管薄膜的连续直接制备，阻碍了碳纳米管研发和产业化。如何实现超薄的自支撑的透明导电碳纳米管薄膜的连续直接制备，是扩展碳纳米管应用范围的迫切需要解决的关键问题。另外，现有的直接制备连续碳纳米管丝线和膜的技术主要是采用催化裂解方法，生长室除了预留进气孔和出气孔外，需要密封，不仅成本高，而且更不利于大规模收集碳纳米管薄膜；且实验装置较为复杂。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于提供一种超薄碳纳米管薄膜的连续制备方法以及制备装置，能够制备出连续、超薄、自支撑的透明导电碳纳米管薄膜，且该装置结构简单，无需密封，可大规模连续收集碳纳米管薄膜。本专利技术提供一种用于制备碳纳米管薄膜的方法，包括：提供碳纳米管生长室，该碳纳米管生长室具有入口端和出口端，且在所述入口端和出口端之间至少包括相连通的第一级生长腔和第二级生长腔；使用于形成碳纳米管的前驱体材料至少在所述碳纳米管生长室的第一级生长腔内发生反应生成碳纳米管；使载气通过所述入口端流入所述生长室，并依次通过所述第一级生长腔和所述第二级生长腔，其中在所述第一级生长腔和第二生长腔的交界处，所述第一级生长腔在载气流动方向上的径向尺寸小于第二级生长腔的径向尺寸，且在第一级生长腔于第二级生长腔中开口的位置处，前驱体材料在载气的带动下产生吹泡过程，形成与第一级生长腔相连通的封闭的圆筒状碳纳米管薄膜；在所述生长室的出口端连续收集碳纳米管薄膜。根据本专利技术提供的方法，其中所述第一级生长腔（3a）为多个，共同开口在同一个第二级生长腔（14）中。根据本专利技术提供的方法，还包括第三级至第N级生长腔，N大于3，在载气流动方向上，第一级至第N级生长腔的平均径向尺寸依次增大。根据本专利技术提供的方法，其中所述第一级至第N级生长腔中的每一个为管状，且直径互不相同，所述第一级至第N级生长腔连通形成阶梯管状生长室。根据本专利技术提供的方法，其中所述第一级至第N级生长腔中的至少一个为锥管状。根据本专利技术提供的方法，其中所述第一级生长腔和第二级生长腔为径向尺寸不同的管，在载气流动的方向上，第一级生长腔的一端伸入到第二级生长腔中，载气流过生长室时经过第一级生长腔和第二级生长腔的至少一部分。根据本专利技术提供的方法，其中所述用于形成碳纳米管的前驱体材料包括催化剂和碳源。本专利技术还提供一种碳纳米管薄膜，由上述方法制备而成。本专利技术还提供一种连续、自支撑的透明、导电碳纳米管薄膜，由长度为数百微米至厘米量级的、纯度大于90wt.%的单壁、双壁或多壁碳纳米管或管束组成，薄膜内的碳纳米管及管束呈二维无序分布的连续网络形式，孔隙率为20%-50%，厚度至少为1nm，生长速率至少为10m/h。本专利技术还提供一种用于制备碳纳米管纤维的方法，包括：利用上述方法生成碳纳米管薄膜；将在所述生长室的出口端连续收集的碳纳米管薄膜浸入凝聚剂，使碳纳米管薄膜骤缩成连续碳纳米管纤维。本专利技术还提供一种纳米管纤维，由上述方法制备而成。本专利技术还提供一种碳纳米管薄膜的制备装置，包括：碳纳米管生长室，具有入口端和出口端，在所述入口端和出口端之间至少包括相连通的第一级生长腔和第二级生长腔，其中所述入口端用于使载气流入，且至少一部分该载气依次通过第一级生长腔和第二级生长腔；所述第一级生长腔于第二级生长腔中开口的位置处于适宜碳纳米管生长的温度，且在所述第一级生长腔和第二生长腔的交界处，所述第一级生长腔在载气流动方向上的径向尺寸小于第二级生长腔的径向尺寸。根据本专利技术提供的装置，其中所述第一级生长腔（3a）为多个，共同开口在同一个第二级生长腔（14）中。根据本专利技术提供的装置，还包括第三级至第N级生长腔，N大于3，在载气流动方向上，第一级至第N级生长腔的平均径向尺寸依次增大。本专利技术提供的方法简单、易操作、安全程度高、产物形状和性质可控、产率高、成本低、易规模化，可连续直接制备不间断的超薄的自支撑的透明导电碳纳米管薄膜，还可制备出不间断的超细自支撑的碳纳米管纤维。本专利技术提供的其中一个方法中，可将碳源、催化剂、辅助剂在进入生长室前混合均匀，以气态或液态由载气输入生长室内管，连续供给的速流稳定性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备碳纳米管薄膜的方法，包括：提供碳纳米管生长室，该碳纳米管生长室具有入口端和出口端，且在所述入口端和出口端之间至少包括相连通的第一级生长腔和第二级生长腔；使用于形成碳纳米管的前驱体材料至少在所述碳纳米管生长室的第一级生长腔内发生反应生成碳纳米管；使载气通过所述入口端流入所述生长室，并依次通过所述第一级生长腔和所述第二级生长腔，其中在所述第一级生长腔和第二生长腔的交界处，所述第一级生长腔在载气流动方向上的径向尺寸小于第二级生长腔的径向尺寸，且在第一级生长腔于第二级生长腔中开口的位置处，前驱体材料在载气的带动下产生吹泡过程，形成与第一级生长腔相连通的封闭的圆筒状碳纳米管薄膜；在所述生长室的出口端连续收集碳纳米管薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种用于制备碳纳米管薄膜的方法，包括：
提供碳纳米管生长室，该碳纳米管生长室具有入口端和出口端，且在
所述入口端和出口端之间至少包括相连通的第一级生长腔和第二级生长
腔；
使用于形成碳纳米管的前驱体材料至少在所述碳纳米管生长室的第
一级生长腔内发生反应生成碳纳米管；
使载气通过所述入口端流入所述生长室，并依次通过所述第一级生长
腔和所述第二级生长腔，其中在所述第一级生长腔和第二生长腔的交界
处，所述第一级生长腔在载气流动方向上的径向尺寸小于第二级生长腔的
径向尺寸，且在第一级生长腔于第二级生长腔中开口的位置处，前驱体材
料在载气的带动下产生吹泡过程，形成与第一级生长腔相连通的封闭的圆
筒状碳纳米管薄膜；
在所述生长室的出口端连续收集碳纳米管薄膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一级生长腔（3a）为多个，
共同开口在同一个第二级生长腔（14）中。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括第三级至第N级生长腔，N
大于3，在载气流动方向上，第一级至第N级生长腔的平均径向尺寸依次
增大。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一级至第N级生长腔中
的每一个为管状，且直径互不相同，所述第一级至第N级生长腔连通形成
阶梯管状生长室。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一级至第N级生长腔中
的至少一个为锥管状。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一级生长腔和第二级生长
腔为径向尺寸不同的管，在载气流动的方向上，第一级生长腔的一端伸入
到第二级生长腔中，载气流过生长室时经过第一级生长腔和第二级生长腔
的至少一部分。

【专利技术属性】
技术研发人员：周维亚，张强，王艳春，解思深，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11