專利名稱：一種簡易可控的碳納米管紙的制備裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種簡易可控的碳納米管紙的制備裝置和方法，運用該方法制備的碳納米管紙在傳感器、電極、燃料電池和場發(fā)射顯示器等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。
背景技術(shù)：
自1991年碳納米管被日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)以來，就因其獨特的結(jié)構(gòu)與性能引起人們的廣泛關(guān)注。碳納米管的拉伸強度很高，同時具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及抗腐蝕性等被譽為“超級纖維”。碳納米管因其具有優(yōu)異 的物理化學(xué)性能，在場發(fā)射，電池及超級電容器，傳感器，高性能復(fù)合材料等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。到目前為止，由其組裝而成的宏觀結(jié)構(gòu)有碳納米管絲帶、纖維、薄膜以及碳納米管紙(也稱為巴基紙)等。碳納米管紙是由相互糾纏的碳納米管，通過管與管之間的范德華カ構(gòu)成的像紙ー樣的碳納米管薄層。碳納米管紙的ー個主要應(yīng)用領(lǐng)域是燃料電池，巴基紙可以用來制作電極、電容和電池主體，巴基紙電池?zé)o毒，散熱性好，比筆記本電腦上使用的石墨電池更輕、更節(jié)能，將來可作為石墨電池的替代品大規(guī)模普及。更長遠的計劃是用巴基紙材料制造飛機、汽車，甚至制造裝甲車和坦克以及“隱身”(反雷達)材料。目前碳納米管紙的制備方法主要有抽濾法，滾壓法以及直接生長出碳納米管紙的化學(xué)氣相沉積法。抽濾法是將制備好的碳納米管分散在液體溶劑中形成懸浮液，通過抽濾得到巴基紙的ー種方法。這種傳統(tǒng)方法制備的碳納米管紙由雜亂無章的碳納米管相互糾纏再形成，很難實現(xiàn)納米管的有序排列，同時由于碳納米管容易團聚在一起，使碳納米管紙的性能較差。滾壓法是用圓柱面直接將豎直排列的碳納米管陣列按一定方向壓倒形成碳納米管紙。該方法需要采用成本很高且難于制備的碳納米管陣列為碳管材料，但所得到的碳納米管紙的機械性能的并不高，且巴基紙的尺寸受碳納米管陣列尺寸規(guī)格限制。化學(xué)氣相沉積法雖然能夠獲得具有一定取向度碳納米管紙，但該方法制備エ藝復(fù)雜并對設(shè)備要求較高。綜上所述，傳統(tǒng)的碳納米管紙制備方法具有原材料成本高，エ藝復(fù)雜或者所得碳納米管紙性能差等缺點，限制了碳納米管紙的進一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種簡易可控的碳納米管紙的制備裝置和方法，通過卷繞輥、氣壓式噴槍、加熱裝置的有效結(jié)合，并通過改變其エ藝參數(shù)制備不同尺寸大小、不同厚度、不同時間產(chǎn)量的碳納米管紙，該方法制備的碳納米管紙可廣泛應(yīng)用于超級電容器、電池以及過濾材料中，亦可發(fā)展成為高性能、多功能的碳納米管復(fù)合材料的制備方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。為了達到上述目的，本發(fā)明提供了ー種簡易可控的碳納米管紙的制備裝置，其特征在于，包括氣壓式噴槍、氣壓泵、卷繞輥和加熱裝置，所述的氣壓式噴槍連接氣壓泵。使用時，將分散好的碳納米管分散液注入氣壓式噴槍中，并保證噴槍、卷繞輥、加熱裝置處于同一水平位置，調(diào)節(jié)好三者之間的水平距離。所述的噴槍進給量、卷繞輥直徑及卷繞速度、加熱裝置的熱效應(yīng)要選取合適的エ藝參數(shù)，以使溶劑的蒸發(fā)速度與單位時間噴灑量相互配合，不因過快的蒸發(fā)或過量的噴灑而影響生產(chǎn)效率或碳納米管紙的品質(zhì)。優(yōu)選地，所述的卷 繞輥的材料為金屬、高聚物或玻璃。優(yōu)選地，所述的卷繞輥連接控速電機。通過控速電機調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)繞方向和轉(zhuǎn)繞速度。優(yōu)選地，所述的氣壓式噴槍為單噴頭噴槍或多噴頭噴槍。優(yōu)選地，所述的氣壓式噴槍和加熱裝置分別設(shè)置在卷繞輥的兩側(cè)，二者處于同一水平位置。本發(fā)明還提供了ー種簡易可控的碳納米管紙的制備方法，其特征在于，采用上述的簡易可控的碳納米管紙的制備裝置，具體步驟為將碳納米管加入到可揮發(fā)性溶劑中，添加分散劑，在超聲波振蕩下，實現(xiàn)碳納米管在可揮發(fā)性溶劑中的均勻分散；在卷繞輥的表面覆蓋ー層鏤空模具；通過噴槍將所得的碳納米管分散液噴灑在轉(zhuǎn)動的卷繞輥上，同時啟動卷繞輥附近的加熱裝置，使可揮發(fā)性溶劑揮發(fā)，連續(xù)進行噴灑、卷繞和揮發(fā)過程，脫模制得碳納米管紙。通過調(diào)節(jié)氣壓泵的輸出壓大小來調(diào)節(jié)單位時間內(nèi)碳納米管分散液的噴灑量。噴槍的噴嘴到卷繞輥表面距離根據(jù)實際要求所定，一般情況下，制取寬度為5厘米(長度取決于卷繞輥直徑)的碳納米管紙，其距離控制在3-5厘米。加熱裝置的熱效應(yīng)根據(jù)卷繞輥的轉(zhuǎn)速不同進行調(diào)節(jié)，加熱裝置距離卷繞輥表面3-5厘米，確保加熱區(qū)的溫度在60-80攝氏度?？烧{(diào)節(jié)氣壓式噴槍和加熱裝置相對水平放置，在工作時要確保已形成的碳納米管層再次到達噴灑區(qū)時表面干燥，可揮發(fā)性溶劑已基本蒸發(fā)完畢。通過噴槍的持續(xù)噴灑和加熱裝置作用下溶劑的有序揮發(fā)，一段時間后，揭下卷繞輥表面覆蓋的聚合物基底，便可獲得分布均勻的碳納米管紙。將鏤空模具覆蓋在卷繞輥表面可以獲得各種形態(tài)尺寸的碳納米管紙。優(yōu)選地，在卷繞輥上覆蓋鏤空模具之前，先在卷繞輥的表面覆蓋ー層聚合物或金屬薄膜，在聚合物或金屬薄膜的表面噴灑脫模劑，以獲得表面平整的碳納米管紙，在脫模之前，取下聚合物或金屬薄膜。優(yōu)選地，所述的碳納米管為單臂碳納米管和多壁碳納米管中的ー種或二者的混合物。優(yōu)選地，所述的碳納米管紙的形狀通過覆蓋在卷繞輥表面的鏤空模具控制。優(yōu)選地，所述的碳納米管紙的尺寸通過改變卷繞輥的直徑和碳納米管分散液在卷繞輥上的覆蓋面積來調(diào)節(jié)。優(yōu)選地，所述的可揮發(fā)性溶劑為こ醇、甲醇、丙酮和水中的ー種或幾種的混合物。優(yōu)選地，所述的分散劑為十二烷基磺酸鈉(SDS)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)中的ー種或幾種的混合物。采用合適的分散劑有助于碳納米管粉末的均勻分散。優(yōu)選地，所述的碳納米管、可揮發(fā)性溶劑和分散劑的比例為Img 2 4mI : 0. 5 2mg。優(yōu)選地，所述的超聲波振蕩操作的具體條件為頻率53KHz狀態(tài)下振蕩4小吋。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明エ藝簡單，生產(chǎn)可控，通過卷繞輥、氣壓式噴槍、加熱裝置的有效結(jié)合，并通過改變其エ藝參數(shù)制備不同尺寸大小、不同厚度、不同時間產(chǎn)量的碳納米管紙。同時，結(jié)合聚合物鏤空模具的使用，可以制作出指定形狀的碳納米管紙器件。該方法制備的碳納米管紙可廣泛應(yīng)用于超級電容器、電池以及過濾材料中，亦可發(fā)展成為高性能、多功能的碳納米管復(fù)合材料的制備方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖I是簡易可控的碳納米管紙的制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a是用于制備碳納米管紙微帶天線貼片的聚合物鏤空模具圖；圖2b是本發(fā)明方法所制備碳納米管紙微帶天線貼片示意圖；圖3a是用于制備特定形狀碳納米管電導(dǎo)熱器件的聚合物鏤空模具圖；
圖3b是本發(fā)明方法所制備的特定形狀碳納米管電導(dǎo)熱器件示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進ー步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。實施例I如圖I所示，為簡易可控的碳納米管紙的制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖，所述的簡易可控的碳納米管紙的制備裝置包括氣壓式噴槍、氣壓泵、卷繞輥和加熱裝置，所述的氣壓式噴槍連接氣壓泵，所述的卷繞輥連接控速電機。所述的氣壓式噴槍為單噴頭噴槍。所述的氣壓式噴槍和加熱裝置分別設(shè)置在卷繞輥的兩側(cè)，二者處于同一水平位置。實施例2:采用實施例I中所述的簡易可控的碳納米管紙的制備裝置來制備碳納米管紙微帶天線貼片，具體步驟為(I)選取直徑為20納米，長度50 100微米的多壁碳納米管為碳納米管原料。將碳納米管原料加入到可揮發(fā)性溶劑無水酒精中，添加十二烷基磺酸鈉(SDS)作為碳納米管分散劑，用于提高碳納米管濃度且分散均勻，碳納米管、可揮發(fā)性溶劑和分散劑的比例為Img 2mL 0. 5mg,碳納米管的濃度過小會增加實驗時間,濃度過大,碳納米管粉末易凝集而堵塞噴嘴。在頻率53KHz超聲振蕩條件下，振蕩時間4小吋，實現(xiàn)碳納米管在可揮發(fā)性溶劑中的均勻分散。(2)聚合物鏤空模具的制作準(zhǔn)備ー張與卷繞輥表面形狀相同的聚酯薄膜，用精細電動刻刀在聚合物薄膜上制作微帶天線貼片圖形，如圖2a所示，為用于制備碳納米管紙微帶天線貼片的聚合物鏤空模具圖，圖中鏤空區(qū)域I與待制作的碳納米管紙微帶天線貼片形狀相同。(3)卷繞輥由聚四氟こ烯制成，在卷繞輥的表面覆蓋ー層聚酰亞胺薄膜，再在其上均勻噴灑由上海東恒化工有限公司提供的甲基こ烯基硅橡膠作為脫模劑，再覆蓋上ー層聚合物鏤空模具。卷繞輥的轉(zhuǎn)繞方向和轉(zhuǎn)繞速度通過控速電機控制；卷繞輥的外徑、卷繞速度、脫模劑用量可根據(jù)實際產(chǎn)量進行調(diào)節(jié)。(4)通過噴槍將所得的碳納米管分散液噴灑在轉(zhuǎn)動的卷繞輥上，同時啟動卷繞輥附近的加熱裝置，使附著的可揮發(fā)性溶劑無水酒精揮發(fā)，形成碳納米管層。碳納米管分散液毎分鐘每平方厘米的噴灑量為0. 3毫升。噴槍的噴嘴到卷繞輥表面距離控制在4厘米，カロ熱裝置表面距離卷繞輥表面4厘米，加熱區(qū)溫度維持在70攝氏度，確保剛形成的碳納米管層再次到達噴灑區(qū)時大部分溶劑已揮發(fā)即可。連續(xù)進行噴灑、卷繞、揮發(fā)過程5個小時后，取出粘附有碳納米管紙的聚合物基底，置于恒溫箱中干燥3個小時后揭下，脫模制得如圖2b所示的碳納米管紙微帶天線貼片，其厚度為0. 3毫米。實施例3采用實施例I中所述的簡易可控的碳納米管紙的制備裝置來制備指定形狀的碳納米管導(dǎo)電導(dǎo)熱器件，具體步驟為(I)選取直徑為20納米，長度50 100微米的多壁碳納米管為碳納米管原料。將 碳納米管原料加入到可揮發(fā)性溶劑無水酒精中，添加十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)作為碳納米管分散劑，用于提高碳納米管濃度且分散均勻，碳納米管、可揮發(fā)性溶劑和分散劑的比例為Img 2mL 0. 5mg,碳納米管的濃度過小會增加實驗時間,濃度過大,碳納米管粉末易凝集而堵塞噴嘴。在頻率53KHz超聲振蕩條件下，振蕩時間4小吋，實現(xiàn)碳納米管在可揮發(fā)性溶劑中的均勻分散。(2)聚合物鏤空模具的制作準(zhǔn)備ー張與卷繞輥表面形狀相同的聚酯薄膜，用精細電動刻刀在聚合物薄膜上制作特定形狀的電導(dǎo)熱器件圖形，如圖3a所示，為用于制備特定形狀碳納米管電導(dǎo)熱器件的聚合物鏤空模具圖，圖中鏤空區(qū)域I與待制作的碳納米管電導(dǎo)熱器件形狀相同。(3)卷繞輥由鋼材料構(gòu)成，在卷繞輥上覆蓋ー層聚丙烯薄膜，在其上均勻噴灑由上海東恒化工有限公司提供的環(huán)氧樹脂用脫模劑，再覆蓋上ー層聚合物鏤空模具，待噴灑成型后揭下模具即可得超細碳納米管電導(dǎo)熱圖形。卷繞輥的轉(zhuǎn)繞方向和轉(zhuǎn)繞速度通過控速電機控制；。(4)通過噴槍將所得的碳納米管分散液噴灑在轉(zhuǎn)動的卷繞輥上，同時啟動卷繞輥附近的加熱裝置，使附著的可揮發(fā)性溶劑揮發(fā)，形成碳納米管層。碳納米管分散液在每分鐘每平方厘米的噴灑量為0. 3毫升，噴槍的噴嘴到卷繞輥表面距離控制在3厘米。加熱裝置表面距離卷繞輥表面3厘米，加熱區(qū)溫度維持在60攝氏度，確保剛形成的碳納米管層再次到達噴灑區(qū)時大部分溶劑已揮發(fā)即可。連續(xù)進行噴灑、卷繞、揮發(fā)過程5個小時后，取出粘附有碳納米管紙的聚合物基底，置于恒溫箱中干燥3個小時后揭下，脫模制得如圖3b所示的碳納米管導(dǎo)電導(dǎo)熱器件，其厚度為0. 3毫米。
權(quán)利要求
1.一種簡易可控的碳納米管紙的制備裝置，其特征在于，包括氣壓式噴槍、氣壓泵、卷繞輥和加熱裝置，所述的氣壓式噴槍連接氣壓泵。
2.如權(quán)利要求I所述的簡易可控的碳納米管紙的制備裝置，其特征在于，所述的卷繞輥連接控速電機。
3.如權(quán)利要求I所述的簡易可控的碳納米管紙的制備裝置，其特征在于，所述的氣壓式噴槍為單噴頭噴槍或多噴頭噴槍。
4.一種簡易可控的碳納米管紙的制備方法，其特征在于，采用權(quán)利要求I所述的簡易可控的碳納米管紙的制備裝置，具體步驟為將碳納米管加入到可揮發(fā)性溶劑中，添加分散齊U，在超聲波振蕩下，實現(xiàn)碳納米管在可揮發(fā)性溶劑中的均勻分散；在卷繞輥的表面覆蓋一層鏤空模具；通過噴槍將所得的碳納米管分散液噴灑在轉(zhuǎn)動的卷繞輥上，同時啟動卷繞輥附近的加熱裝置，使附著可揮發(fā)性溶劑揮發(fā)，連續(xù)進行噴灑、卷繞和揮發(fā)過程，脫模制得碳納米管紙。
5.如權(quán)利要求4所述的簡易可控的碳納米管紙的制備裝置，其特征在于，在卷繞輥上覆蓋鏤空模具之前，先在卷繞輥的表面覆蓋一層聚合物或金屬薄膜，在聚合物或金屬薄膜的表面噴灑脫模劑，以獲得表面平整的碳納米管紙，在脫模之前，取下聚合物或金屬薄膜。
6.如權(quán)利要求4所述的簡易可控的碳納米管紙的制備裝置，其特征在于，所述的碳納米管為單臂碳納米管和多壁碳納米管中的一種或二者的混合物。
7.如權(quán)利要求4所述的簡易可控的碳納米管紙的制備裝置，其特征在于，所述的碳納米管紙的形狀通過覆蓋在卷繞輥表面的鏤空模具控制，碳納米管紙的尺寸通過改變卷繞輥的直徑和碳納米管分散液在卷繞輥上的覆蓋面積來調(diào)節(jié)。
8.如權(quán)利要求4所述的簡易可控的碳納米管紙的制備裝置，其特征在于，所述的可揮發(fā)性溶劑為乙醇、甲醇、丙酮和水中的一種或幾種的混合物。
9.如權(quán)利要求4所述的簡易可控的碳納米管紙的制備裝置，其特征在于，所述的分散劑為十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉和十六烷基三甲基溴化銨中的一種或幾種的混合物。
10.如權(quán)利要求4所述的簡易可控的碳納米管紙的制備裝置，其特征在于，所述的碳納米管、可揮發(fā)性溶劑和分散劑的比例為Img : 2 4ml : 0. 5 2mg。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種簡易可控的碳納米管紙的制備裝置和方法。所述的簡易可控的碳納米管紙的制備方法，其特征在于，具體步驟為將碳納米管加入到可揮發(fā)性溶劑中，添加分散劑，在超聲波振蕩下，實現(xiàn)碳納米管在可揮發(fā)性溶劑中的均勻分散；在卷繞輥的表面粘附一層與其形狀相同的聚合物薄膜，再在薄膜上加蓋一層鏤空模具；通過噴槍將所得的碳納米管分散液噴灑在轉(zhuǎn)動的卷繞輥上，同時啟動卷繞輥附近的加熱裝置，使附著的可揮發(fā)性溶劑揮發(fā)，連續(xù)進行噴灑、卷繞和揮發(fā)過程，脫模制得碳納米管紙。本發(fā)明操作簡單易行，便于控制；為自動化、產(chǎn)業(yè)化地制備碳納米管紙及其相關(guān)產(chǎn)品帶來了可能。
文檔編號C01B31/02GK102659092SQ20121010697
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者劉瑋, 吳澤楠, 孟召雙, 朱文斌, 許福軍, 邱夷平, 魏寶春 申請人:東華大學(xué)