一种碳纳米管与聚合物的分离方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种碳纳米管与聚合物的分离方法及系统。所述方法包括：提供碳纳米管分散液，所述碳纳米管分散液包括碳纳米管、作为碳纳米管分散剂的聚合物以及有机溶剂，其中聚合物与碳纳米管通过物理作用结合；至少将基底的局部区域浸入水相体系，并在所述基底、水相体系以及相应气相环境三者的交界处形成气‑液‑固三相界面线；将所述碳纳米管分散液施加在水相体系的液面上，使碳纳米管、聚合物依次钉扎到所述三相界面线上；将基底从水相体系中逐渐提拉出，形成依次排布的碳纳米管条带与聚合物条带，进而实现碳纳米管与聚合物的分离。本发明专利技术的分离方法简单，无需通过加热或酸类分解聚合物，去除聚合物更彻底，能够实现聚合物的回收利用。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管与聚合物的分离方法及系统
本专利技术涉及一种纳米碳材料，特别是一种碳纳米管与聚合物分散剂的分离方法及系统，属于碳纳米材料

技术介绍
单壁碳纳米管(SWCNT)以其优异的物理化学性质(超长径比、大的比表面积及可调节的带隙、优异的电子和空穴迁移率等独特的结构和电子特性)，被誉为电子学领域的最具发展前景的材料之一，可应用在下一代场效应薄膜、射频晶体管领域。通常直接生长的碳纳米管原料一般含有不同含量、不同种类的杂质，是一种不同导电属性与不同手性的碳纳米管的混合物。以共轭聚合物为分散剂选择性分散SWCNTs的方法以其简单、高效、可规模化等优势成为当前分离不同导电属性SWCNTs的有效方法。利用共轭聚合物分子分离出的半导体碳纳米管纯度高，而且还可以通过设计聚合物的结构分离出特定甚至于单一手性的碳纳米管，在此基础上利用其制作高性能薄膜器件。因为SWCNT的一维特性使其在电学、光学、力学及磁学等性能方面呈现出极为显著的各向异性，为了提高器件性能，可以对共轭聚合物分离得到的高纯度SWCNT进行取向排列制备碳纳米管薄膜，在此过程中，因大部分共轭聚合物本身属于电的不良导体，所以需要尽可能多地去除聚合物。目前，去除聚合物的方法有以下几种：1)将聚合物与碳纳米管的分散液进行过滤洗涤，该方法的缺点是不能完全去除聚合物分散剂。因为完全去除聚合物存在的碳纳米管分散液中，碳纳米管因π-π相互作用，容易形成“管束”，导致后续薄膜质量变差，进而影响器件性能。因此这种方法虽然可以对去除的聚合物进行回收利用，但只能去除一部分的聚合物；2)碳纳米管薄膜制备过程中引入第三方物质与聚合物发生化学反应并去除生成化合物，在此方法中第三方物质需要具有特异性，更换一种聚合物时需要相对应的第三方物质，而且此方法中聚合物并不能回收利用；3)退火处理使聚合物分解去除，该方法的缺点在于：第一，聚合物发生不可逆变化，聚合物无法回收利用；第二，加热分解聚合物需要高温(一般在500℃左右)，第三，高温分解聚合物的同时要避免氧气氧化碳纳米管造成结构缺陷；4)借助于酸性物质，例如制膜后在硝酸中浸泡或在碳纳米管分散液中加入三氟乙酸使其脱吸附等，该方法的缺点是：操作具有一定的危险性，聚合物发生不可逆变化，导致聚合物无法回收利用。以上方法2)-4)均属于不可逆反应，使较昂贵的聚合物分散剂无法被再次利用。因此，目前为止还没有一种技术既可以将聚合物去除干净的同时，还能对聚合物进行回收利用。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种碳纳米管与聚合物的分离方法及系统，从而克服了现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种碳纳米管与聚合物的分离方法，其包括：提供碳纳米管分散液，所述碳纳米管分散液包括碳纳米管、作为碳纳米管分散剂的聚合物以及有机溶剂，其中聚合物与碳纳米管通过物理作用结合；至少将基底的局部区域浸入水相体系，并在所述基底、水相体系以及相应气相环境三者的交界处形成气-液-固三相界面线；将所述碳纳米管分散液施加在水相体系的液面上，使其中的碳纳米管、聚合物依次钉扎到所述三相界面线上；将所述基底从水相体系中逐渐提拉出，形成依次排布的碳纳米管条带与聚合物条带，实现碳纳米管与聚合物的分离。在一些优选实施例中，所述碳纳米管与聚合物的分离方法包括：将所述基底以设定提拉速度从水相体系中逐渐提拉出，使碳纳米管在基底表面取向排列形成碳纳米管层条带，以及使聚合物在基底表面聚集形成聚合物条带，所述碳纳米管条带与聚合物条带分布在所述基底表面的不同区域内。本专利技术实施例还提供了一种聚合物回收方法，其包括：使前述方法获得的同时含有碳纳米管条带和聚合物条带的基底与有机溶剂接触，使聚合物溶解于该有机溶剂而使碳纳米管余留于所述基底上。本专利技术实施例还提供了一种碳纳米管与聚合物的分离系统，用以将碳纳米管和与碳纳米管通过物理作用结合的聚合物分离，所述分离系统包括：液体分布机构，其用以将碳纳米管分散液施加到水相体系的液面上，所述碳纳米管分散液包括碳纳米管、作为碳纳米管分散剂的聚合物以及有机溶剂，其中聚合物与碳纳米管通过物理作用结合；基底，其至少局部浸入所述水相体系，并且在所述基底、水相体系以及相应气相环境三者的交界处形成气-液-固三相界面线，当将所述碳纳米管分散液施加在水相体系的液面上时，其中的碳纳米管、聚合物能够依次钉扎到所述三相界面线上；以及提拉机构，其用以将所述基底按设定速度从所述水相体系中提拉出，形成依次排布的碳纳米管条带与聚合物条带，实现碳纳米管与聚合物的分离。较之现有技术，本专利技术的有益效果至少在于：1)本专利技术提供的碳纳米管与聚合物的分离方法首次提出使聚合物与碳纳米管悬浮于水面上来达到分离的目的，操作简单，条件较为温和，无需通过加热或酸类分解，实验危险性降低，有低耗能的优点；2)本专利技术提供的碳纳米管与聚合物的分离方法是进一步提纯高纯度的碳纳米管，同时保证清洗后的碳纳米管能够再次实现单分散，在过滤洗涤去除聚合物的方法上进一步去除聚合物，去除聚合物更为彻底，并且能实现聚合物的回收利用；3)本专利技术提供的碳纳米管与聚合物的分离方法不再采用特定的第三方物质来针对某种化合物进行化学反应，适用的共轭聚合物种类范围较广；4)本专利技术在实现聚合物与碳纳米管分离的同时，可以通过实现碳纳米管取向排列来达到提高器件性能的目的。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术一典型实施方案中一种碳纳米管与聚合物的分离方法的过程示意图。图2是本专利技术一典型实施方案中一种碳纳米管与聚合物的分离后的状态示意图。图3是本专利技术一典型实施方案中高纯度半导体型单壁碳纳米管或单一手性碳纳米管分散液的制备流程示意图。图4a-图4b分别是本专利技术一典型实施方案中PCz聚合物分离的高纯度半导体单壁碳纳米管的吸收光谱图。图4c是本专利技术一典型实施方案中重分散的碳纳米管分散液的吸收光谱图。图5a是本专利技术实施例1中所获聚合物条带的3D聚焦显微镜图。图5b是本专利技术实施例1中所获单壁碳纳米管条带的3D聚焦显微镜图。图6a-图6h分别是本专利技术实施例2中所获单壁碳纳米管条带和聚合物条带的大范围SEM图和细节图。图7a是本专利技术实施例3中所获单壁碳纳米管条带和聚合物条带的SEM图。图7b是本专利技术实施例3中所获单壁碳纳米管条带的SEM图，图7c是图7b的放大图。图8a和图8b是本专利技术实施例4中所获单壁碳纳米管条带的SEM图。图9a-图9f是本专利技术实施例5中所获单壁碳纳米管条带的SEM图。图10a-图10i是本专利技术实施例6中所获单壁碳纳米管条带的SEM图。图11a-图11i是本专利技术实施例7中所获单壁碳纳米管条带的SEM图。图12a和图12b是本专利技术实施例8中所获单壁碳纳米管条带的SEM图。图13是本专利技术实施例9中所获单壁碳纳米管条带的SEM图。图14是本专利技术实施例10中所获单壁碳纳米管条带的SEM图。具体实施方式如前所述，鉴于现有技术的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米管与聚合物的分离方法，其特征在于包括：提供碳纳米管分散液，所述碳纳米管分散液包括碳纳米管、作为碳纳米管分散剂的聚合物以及有机溶剂，其中聚合物与碳纳米管通过物理作用结合；至少将基底的局部区域浸入水相体系，并在所述基底、水相体系以及相应气相环境三者的交界处形成气‑液‑固三相界面线；将所述碳纳米管分散液施加在水相体系的液面上，使其中的碳纳米管、聚合物依次钉扎到所述三相界面线上；将所述基底从水相体系中逐渐提拉出，形成依次排布的碳纳米管条带与聚合物条带，实现碳纳米管与聚合物的分离。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管与聚合物的分离方法，其特征在于包括：提供碳纳米管分散液，所述碳纳米管分散液包括碳纳米管、作为碳纳米管分散剂的聚合物以及有机溶剂，其中聚合物与碳纳米管通过物理作用结合；至少将基底的局部区域浸入水相体系，并在所述基底、水相体系以及相应气相环境三者的交界处形成气-液-固三相界面线；将所述碳纳米管分散液施加在水相体系的液面上，使其中的碳纳米管、聚合物依次钉扎到所述三相界面线上；将所述基底从水相体系中逐渐提拉出，形成依次排布的碳纳米管条带与聚合物条带，实现碳纳米管与聚合物的分离。2.根据权利要求1所述的碳纳米管与聚合物的分离方法，其特征在于包括：将所述基底以设定提拉速度从水相体系中逐渐提拉出，使碳纳米管在基底表面取向排列形成碳纳米管层条带，以及使聚合物在基底表面聚集形成聚合物条带，所述碳纳米管条带与聚合物条带分布在所述基底表面的不同区域内。3.根据权利要求1所述的碳纳米管与聚合物的分离方法，其特征在于：所述有机溶剂与所述水相体系的表面张力不同且互不相溶，且沸点不超过200℃。4.根据权利要求3所述的碳纳米管与聚合物的分离方法，其特征在于：所述有机溶剂包括卤代烷烃、芳烃和卤代芳烃中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述卤代烷烃包括氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述芳烃包括甲苯和/或二甲苯；优选的，所述卤代芳烃包括氯苯和/或二氯苯。5.根据权利要求1所述的碳纳米管与聚合物的分离方法，其特征在于：所述气相环境为大气环境。6.根据权利要求2所述的碳纳米管与聚合物的分离方法，其特征在于：所述提拉速度为5～65mm/min。7.根据权利要求1所述的碳纳米管与聚合物的分离方法，其特征在于包括：以1～3μl/sec的速度将所述碳纳米管分散液滴加在水相体系的液面上。8.根据权利要求7所述的碳纳米管与聚合物的分离方法，其特征在于包括：用于滴加所述碳纳米管分散液的针头与所述水相体系的液面的距离为1～3mm。9.根据权利要求7所述的碳纳米管与聚合物的分离方法，其特征在于包括：用于滴加所述碳纳米管分散液的针头与所述基底的水平距离为2～5mm。10.根据权利要求1所述的碳纳米管与聚合物的分离方法，其特征在于：所述碳纳米管包括单壁或多壁碳纳米管。11.根据权利要求10所述的碳纳米管与聚合物的分离方法，其特征在于：所述单壁碳纳米管包括金属型单壁...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小品，邱松，金赫华，李清文，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32