[发明专利]一种碳纳米管膜的孔隙结构的调控方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管膜的孔隙结构的调控方法。

背景技术

碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊碳六元环结构的一维量子材料，径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，具有优异的的力学、电学和热学性能。随着纳米技术的发展，应用化学气相沉积法等手段，通过将碳纳米管生长成气凝胶结构，通过溶液致密化后得到自支撑的碳纳米管巴基纸或者碳纳米管膜。碳纳米管膜作为一种具有自支撑多孔网状结构的碳纳米管集合体，不仅继承了单根碳纳米管的优越性能，而且具有良好的电学性能。碳纳米管膜具有宏观尺寸，更适合后续使用中的加工，在智能传感材料、人造肌肉和多功能复合材料领域具有应用前景。

但是，由于碳纳米管膜内部的孔隙为纳米级(100-400纳米)，无机纳米颗粒、石墨烯和高分子树脂能很难进入碳纳米管膜内部，无法实现有效的功能化设计，使碳纳米管膜的应用得到了极大的限制。因此，发明一种控制碳纳米管膜的孔隙结构和孔隙率的方法非常必要。

目前，学者多采用超声振荡的方式对碳纳米管粉末所制备的悬浮液进行分散调控。然而，超声振荡的剧烈作用会使具有自支撑结构的碳纳米管膜解体，也会使膜中碳纳米管受到损伤而性能下降，所以传统的超声振荡的方法无法适用于对碳纳米管膜内部孔隙结构的调控。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何对碳纳米管膜的孔隙结构进行调控。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种碳纳米管膜的孔隙结构的调控方法，其特征在于：，包括如下步骤：

步骤1：将碳纳米管膜放入膨松剂与相容剂的混合溶液中，静置；当混合溶液渗入碳纳米管膜内部后，膨松剂分解产生微气泡，产生微爆破作用，使得碳纳米管膜的结构逐渐疏松；此时，碳纳米管膜内部的孔隙结构能够被调控；

步骤2：将调控完成后的碳纳米管膜冷冻干燥，避免溶剂蒸发过程中的芯吸力将碳纳米管膜的蓬松结构破坏，使调控后的碳纳米管膜结构得到保持。

优选地，所述步骤1中，碳纳米管膜的形式为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或者单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的组合；碳纳米管膜为导体、半导体或者导体与半导体的组合体。

优选地，所述碳纳米管膜的制备方法为浮动催化化学气相生长法或碳纳米管阵列直接拉膜法。

优选地，所述步骤1中，相容剂为与碳纳米管膜互溶的溶液；所述与碳纳米管膜互溶的溶液为乙醇溶液、丙酮溶液或二氯甲烷溶液。

优选地，所述步骤1中，膨松剂为质量百分比浓度10％～60％的过氧化氢溶液，或质量百分比浓度10％的稀硫酸溶液与金属锌粉末的混合液；或质量百分比浓度10％的稀硝酸溶液和亚硫酸钠的混合液。

优选地，所述步骤1中，碳纳米管膜的结构疏松后，碳纳米管膜内部孔径的调控范围为100纳米～10微米。

优选地，所述步骤1中，通过对混合溶液配比、浓度、作用时间和温度的调节，实现对碳纳米管膜内部的孔隙结构的调控。

优选地，所述步骤1中，相容剂有助于进入碳纳米管膜内部；膨松剂用于产生微气泡；因此相容剂和膨松剂的混合溶液能够进入碳纳米管膜内部并产生微气泡，实现碳纳米管膜的孔隙调控，相容剂和膨松剂二者缺一不可。

优选地，所述步骤2中，冷冻干燥的具体方法为：将调控完成后的碳纳米管膜放入冰醋酸或者二甲基亚砜中，在-10℃～-80℃环境下冷冻3～12小时，随后放入冷冻干燥箱内，温度设定范围-10℃～-40℃，干燥12～72小时。

优选地，所述步骤2中，通过冷冻干燥法有效保持调控完成后的碳纳米管膜的疏松结构，使其不会在干燥的过程中因溶液挥发产生的芯吸力作用而坍塌、收缩和破坏。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明可以实现碳纳米管膜孔隙结构的调控，碳纳米管膜平均孔径调控范围100纳米-10微米。

2、本发明制得的不同孔径的碳纳米管膜集合体，可以作为多功能填充材料或者气凝胶材料。

3、本发明制得的具有不同孔径的碳纳米膜可以与纳米颗粒或聚合物树脂复合，作为纳米颗粒和聚合物树脂的骨架材料，实现碳纳米管膜的功能设计。

4、本发明方法简单易行，成本低，适用于产业化推广。

具体实施方式