[发明专利]一种高取向高致密化碳纳米管膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管膜的制备方法，尤其涉及一种高取向高致密化碳纳米管膜及其制备方法。

背景技术

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1TPa，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。

发明内容

本发明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。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。

经过本发明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。

本发明的优点在于：

（1）本发明采用的碳纳米管膜由几十至几百层0.1μm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）本发明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）本发明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（I_G///I_G⊥）可达到9.2。

（4）本发明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）本发明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)本发明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。

附图说明

图1是本发明中未牵伸无规取向碳纳米管膜表面形貌；

图2是本发明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是本发明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是本发明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，进一步阐述本发明。

本发明提供一种高取向高致密化碳纳米管膜及其制备方法，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0.1μm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。