[發(fā)明專(zhuān)利]一種碳納米纖維紙及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410798628.0
• 申請(qǐng)日: 2015-08-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104499354A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李貝;解明
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 武漢艾特米克超能新材料科技有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): D21H13/50
• 分類(lèi)號(hào): D21H13/50;D21J1/00;D21J1/06
• 代理公司: 北京華沛德權(quán)律師事務(wù)所 11302
• 代理人: 劉杰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳納米材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳納米纖維紙及其制備方法。

背景技術(shù)

CNTs又稱(chēng)巴基管，屬于一種具有特殊結(jié)構(gòu)(徑向尺寸為2-20nm級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)、管子兩端基本上都封口)的一維量子材料，主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。CNTs按石墨烯片層數(shù)可分為單壁CNTs和多壁CNTs。碳納米管的制備方法主要有三種：1，電弧放電法，可以在石墨材料中加入催化劑填充物，通過(guò)電弧放電的方法，反應(yīng)區(qū)溫度可達(dá)3000-4000°，以此制備碳納米管；2，激光蒸發(fā)法，在惰性氣體保護(hù)條件下，利用激光的高能量使石墨蒸發(fā)從而制備碳納米管；3，化學(xué)氣相沉積法，一般都稱(chēng)CVD法，該方法材料來(lái)源廣泛，條件比較寬松，適合規(guī)模化生產(chǎn)。

碳納米管擁有極高的長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)，具有良好的導(dǎo)電性，力學(xué)性能優(yōu)異，比表面積大，擁有較大的應(yīng)用前景：專(zhuān)利舉例.例如，1997年Nature雜志報(bào)道了碳納米管作儲(chǔ)氫材料的研究，美國(guó)專(zhuān)利US2005118091及中國(guó)專(zhuān)利CN1398782日本專(zhuān)利JP2001146408都公開(kāi)了碳納米管儲(chǔ)氫的不同方法；2012年，J.Power?Sources雜志報(bào)導(dǎo)了將4nm厚的MnO2包覆于實(shí)心碳納米纖維，配合硫酸鈉電解質(zhì)制成了高性能超級(jí)電容器；2010年，Nature雜志報(bào)導(dǎo)了利用碳納米管作鋰電池陽(yáng)極將電化學(xué)電容和法拉第反應(yīng)電池結(jié)合，獲得了高性能的鋰電池，中國(guó)專(zhuān)利CN101346834公開(kāi)一種碳納米管表面包裹納米級(jí)硅顆粒用于鋰電池負(fù)極；中國(guó)專(zhuān)利CN1538543A公開(kāi)了一種銅修飾碳納米管用于鋰離子電池負(fù)極；中國(guó)專(zhuān)利CN1161182C公開(kāi)了一種碳納米管負(fù)載鉑催化劑應(yīng)用于燃料電池的方法；2012年Composites雜志報(bào)道了利用碳納米纖維制成復(fù)合紙用于防雷擊；中國(guó)專(zhuān)利CN1564296A利用粉末冶金工藝制備碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極。總而言之，碳納米纖維在儲(chǔ)氫材料、高性能鋰電池、超級(jí)電容器、燃料電池電極、電磁屏蔽材料、場(chǎng)發(fā)射材料上有良好的應(yīng)用前景。

碳納米管的優(yōu)良性能多表現(xiàn)在微觀領(lǐng)域，而一旦擴(kuò)大到宏觀領(lǐng)域，將會(huì)使碳納米管的材料優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生很大的影響，分散的碳納米管也很難實(shí)現(xiàn)實(shí)際的應(yīng)用。較好解決辦法是通過(guò)一定的技術(shù)手段將碳納米管制備成有效的宏觀材料，同時(shí)不失碳納米管的微觀性能。碳納米纖維紙是可應(yīng)用性相對(duì)較多的一種材料，其制備技術(shù)多種多樣：基底直接成膜，溶液過(guò)濾成膜，絲網(wǎng)印刷成膜，層層組裝成膜，電泳法成膜。由于碳納米管的納米級(jí)尺寸以及特殊的長(zhǎng)徑結(jié)構(gòu)，其分散十分困難，而且由于碳納米管的長(zhǎng)度范圍廣泛，在其實(shí)際使用中會(huì)遇到很多不同情況，如較短長(zhǎng)度的碳納米管對(duì)過(guò)濾膜的要求相對(duì)更高一些。因此碳納米纖維紙的制備目前一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。同類(lèi)材料中的碳纖維制備膜材目前已經(jīng)有規(guī)模化的生產(chǎn)，但是其膜材的厚度相對(duì)較大，最小的都要幾百微米。與之相比，碳納米纖維紙厚度小并且導(dǎo)電性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出碳纖維膜。此外，中國(guó)專(zhuān)利CN103015256A公開(kāi)了一種制備碳納米纖維紙的方法，但是需要對(duì)碳納米纖維進(jìn)行預(yù)先表面修飾，引入官能團(tuán)。這樣一方面增加成本，另一方面碳納米分子容易產(chǎn)生極化，使導(dǎo)電性受影響，從而降低碳納米纖維的性能。目前國(guó)內(nèi)以及國(guó)際上都沒(méi)有合適的批量制備碳納米纖維紙而不用進(jìn)行表面預(yù)處理的方法。如何做到低成本情況下實(shí)現(xiàn)碳納米纖維紙的規(guī)模化生產(chǎn)是長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)的一個(gè)難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種成本低、工序少、純度高、方便轉(zhuǎn)移并且適宜大規(guī)模生產(chǎn)的碳納米纖維紙及其制備方法；碳納米纖維之間相互交聯(lián)，彼此纏結(jié)，結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，因此碳納米纖維紙比表面積大、導(dǎo)電性好。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種碳納米纖維紙，由碳納米纖維之間依靠分子范德華力以及碳納米纖維之間的交聯(lián)作用相結(jié)合而成，所述碳納米纖維包括多壁碳納米管、單壁碳納米管、實(shí)心碳納米纖維或活性炭纖維中的一種或幾種。

所述碳納米纖維紙中添加有粘結(jié)劑，所述粘結(jié)劑選自丁二烯與苯乙烯的聚合物(SBR)、丙烯晴多元共聚物(LA133)、醋酸乙烯樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、熱塑性聚氨酯彈性體橡膠、氯化橡膠的一種。

一種所述碳納米纖維紙的制備方法，包括分散、均化、過(guò)濾、烘烤、壓片工序，具體包括：

A、分散：將所述碳納米纖維以一定的濃度在醇類(lèi)溶劑中進(jìn)行超聲分散，所述一定的濃度為碳納米纖維質(zhì)量(mg)與醇類(lèi)溶劑體積(ml)的比例為0.01mg/ml-0.5mg/ml；