[发明专利]高度取向碳纳米管/聚合物复合薄膜及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于摩擦材料技术领域，具体涉及一种高度取向碳纳米管/聚合物复合膜及其制备方法与应用。

背景技术

聚合物因成本低廉，合成方便，结构可控及性能优良等特点而在摩擦材料领域被广泛研究与应用[1-3]。为提高材料的摩擦性能，往往采取向聚合物中加入第二组分的方法，以形成具有新性能的复合材料，常用作第二组分的包括凯夫拉纤维，金属氧化物，非金属氧化物和非金属等[4-7]。尽管对于纳米复合材料的研究已不新鲜，但这些材料无论是结构还是性能大多是各项同性的。因此，如何在纳米尺度上设计和制备出结构可控的各向异性复合材料，仍是一个不小的挑战[8,9]。一般来讲，可以通过引进不对称纳米粒子或具有一维结构的材料如纳米管，纳米棒和纳米线来实现复合材料的结构不对称性[10-13]。迄今为止，这样的结构设计在摩擦材料方面是很少见的，而具有各向异性摩擦性能的复合材料有望在诸多领域得到广泛应用。

碳纳米管是近年来被研究最多的一维纳米材料之一[11]。这种独特的结构赋予了碳纳米管独特优异的电学、力学和热学性能。例如，不同结构的碳纳米管可分为金属管和非金属管，碳纳米管的电导率可达10⁵ S/cm[14]。碳纳米管的杨氏模量高达1000GPa（是钢的近五倍），拉伸强度可达100GPa（是钢的近100倍）[15-16]。碳纳米管的热导率可达6000 W/(m·K)，而铜和钢分别只有371和40.8 W/(m·K) [17]。正因为有着如此优异的性能，碳纳米管在诸多领域包括材料、电子、场发射、生物技术、医药和电化学等方面有着重要应用[18-21]。在许多情况下，碳纳米管被用作填料添加到聚合物中，以充分发挥碳纳米管和聚合物两者的综合优势。通常，有三种制备碳纳米管/聚合物复合材料的方法，分别是溶液法、熔融法和原位聚合法[22]。然而，这三种方法存在着一个共同的关键性挑战，即碳纳米管在聚合物基体中的无规分散会导致碳管不能在复合材料中充分发挥出其独特优异的性能。例如，碳纳米管和聚合物复合后拉伸强度和电导率分别只有几十兆帕和10^-6-10^-3 S/cm[23]。这些问题严重限制了此类复合材料的实际应用。

于此，本发明提供了一种简单的方法，制备了一种碳纳米管在聚合物中保持高度取向并具有部分露出聚合物基体外表面结构的复合材料，有望在高性能结构材料方面得到广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有各向异性摩擦性能的高度取向碳纳米管/聚合物复合薄膜材料及其制备方法与应用。

本发明提供的具有各向异性摩擦性能的高度取向碳纳米管/聚合物复合膜，通过旋涂法将聚合物溶液与高度取向的碳纳米管栅复合成膜而获得。其中，所述聚合物溶液为5-15wt%聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液，碳纳米管在聚合物基体中是高度取向的，且复合膜有一面的碳纳米管侧壁部分裸露于空气中，体现出微摩擦各向异性的特征，同时，该复合膜还表现出优异的力学、电学和热学性能。   

本发明的碳纳米管/聚合物复合薄膜制备的具体步骤如下： 

1. 高度取向碳纳米管栅的制备

以在Si/SiO₂基底上沉积的厚度为0.8-1.4nmFe和厚度为1-4nm Al₂O₃作为催化剂，以乙烯为碳源，以氩气和氢气为载气，730-770℃下开始生长碳纳米管，生长时间为5-15min，得到高度约为150-350μm。然后从碳纳米管阵列中拉出10-30层碳纳米管栅，固定在玻璃基底上；再在碳纳米管栅表面滴上乙醇，加热烘干，如此反复2-3次，之后进行热处理，将溶剂处理后的碳纳米管栅置于管式炉中，空气中升温至200-400℃并稳定30-60min后自然冷却取出。

2. 高度取向碳纳米管/聚合物复合材料的制备 

首先配制5-15wt%的聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液，随后用匀胶机将聚合物溶液旋涂到碳纳米管栅上。旋涂转速为1000-1500rpm，时间为50s-1min；在此过程中，溶剂挥干成膜。最后，将复合膜浸泡于0.05-0.2mol/L氢氧化钠水溶液中，片刻（一般为3—10分钟）后取下。复合膜紧贴玻璃基板的一面用于微摩擦测试。