[發明專利]一種采用橋接原理一步法制備發熱碳納米管膜的方法

在審

• 申請號: 202010514577.X
• 申請日: 2020-06-08
• 公開（公告）號: CN111634903A
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 陳茹;盧永楨
• 申請（專利權）人: 大連工業大學
• 主分類號: C01B32/168
• 分類號: C01B32/168
• 代理公司: 大連至誠專利代理事務所(特殊普通合伙) 21242
• 代理人: 楊威;劉麗媛

本發明公開了一種采用橋接原理一步法制備發熱碳納米管膜的方法，包括以下步驟：S1、以50～150mg碳納米管/100ml去離子水的比例，將碳納米管和去離子水混合，加入表面活性劑，得到碳納米管溶液；S2、將硝酸銀的水溶液與所得碳納米管溶液混合后超聲分散，再進行磁力攪拌，在攪拌過程中加入水合肼溶液；S3、再次超聲分散，真空抽濾，干燥，得到碳納米管膜。本發明采用橋接原理，在碳納米管膜的網絡空間結構中無規沉積納米銀顆粒，納米金屬顆粒連接周圍碳管，不僅增加了碳管徑向導電、熱傳導通道數量，而且由于金屬的高導電導熱性能，提高了碳納米管膜的導電和導熱性能。

技術領域

本發明涉及碳納米管膜領域，具體涉及一種采用橋接原理一步法制備發熱碳納米管膜的方法。

背景技術

碳材料優良的力學、導電、熱輻射性能，使其不僅在航空航天的熱防護材料中應用廣泛；在民用、工業用電熱體研究中逐漸得到關注。碳素材料制成的電熱元件已成為新興節能環保型電熱器，與金屬電熱元件相比，其熱匹配性好、熱效率高、使用壽命長。自上世紀50年代國外已經開始進行以碳纖維為發熱體的電熱材料研究，國內盡管起步較晚，但已取得長足進展，目前碳纖維電熱產品如碳纖維紙、碳膜、碳晶電熱地板等已經得到廣泛應用。作為下一代高科技材料，碳納米管具有優異的電學、磁學和力學性能，應用前景巨大。

自1991年日本學者Lijima發現碳納米管以來，世界上就掀起了碳納米管的研究熱潮。碳納米管具有高長徑比、高韌性和極強的導電、導熱性能，電導率可達銅的10000倍，強度比鋼高100倍，比重只有鋼的1/6，場發射性能卓越，兼具金屬性和半導體性，電熱轉化率達99.8％，還是理想的遠紅外集波物質。利用碳納米管導電性能好、傳熱性能優越、遠紅外功能突出、機械強度大、韌性好等方面的突出優勢，適合將其用于電熱材料的制備。但碳納米管之間存在較強的范德華力，易纏繞、團聚，作為增強和功能型填料在聚合物基體中分散困難，實際應用受限。1998年碳納米管紙(buckypaper，BP)的問世，開啟了碳納米管研究的新紀元。碳納米管紙也稱碳納米管膜，是由碳納米管通過范德華力緊密聚集在一起形成的具有三維網絡微孔結構的片狀材料。碳納米管膜兼具碳納米管的電學、熱學和磁學等物理化學性能，是一種具有碳納米管屬性的功能性面狀電熱材料。隨著碳納米管制備方法的日臻完善，其性價比優勢日趨明顯，但碳納米管膜在民用領域的應用還不多見。

由于碳納米管膜中碳管之間依靠范德華力無規纏結，造成其力學、導電、導熱性能遠低于碳納米管。目前大多數碳納米管膜報道的電導率通常在10～1000S/cm之間，遠遠低于單個碳納米管的電導率(10000～30000S/cm之間)；碳納米管膜的熱導率相比于單根碳納米管亦小得多。為了提高碳管的導電性能，研究人員采用對碳管進行酸化、活化、敏化處理，采用化學鍍或電鍍方法在碳管表面鍍一層金屬，取得了良好效果，但是工藝復雜，碳管的結構易受到破壞。專利CN201810032612.7提供了一種納米銀導電膠的制備方法，采用在碳納米管表面鍵合納米銀顆粒的方法，即采用化學鍍的方法。首先對碳納米管進行酸化和活化，并采用超聲處理，切斷碳管長度，以利于與環氧樹脂、微米級銀進行溶液共混，得到碳管表面鍍納米銀的復合結構，再進一步制備導電膠。此方法工藝復雜，破壞了碳管原有管壁結構，而且這種碳管表面鍍銀工藝得到的鍍銀碳管及其復合物，其導電主要沿碳管軸向。

碳發熱材料的發熱機制是在通電的情況下，碳分子產生原子、離子和電子，和碳分子團之間相互摩擦、碰撞(也稱布朗運動)而產生熱能，熱能通過波長為5～14微米的遠紅外線方式輻射出來。由于石墨烯跟碳納米管材料的超導性，其發熱性能更穩定，電熱轉換效率可達到99.8％，相對于傳統碳材料發熱，具有單位面積功率大，能效高的特點，有效減少能源消耗。碳發熱材料的傳熱機制，在于其的電能輸入被有效轉換成超過60％的傳導熱能和超過30％的紅外輻射能。這種雙重制熱原理，使發熱的能耗顯著降低，使被加熱物體升溫更快，吸收的熱能更充足。由于碳納米管膜的結構特點，其中焦耳熱的傳遞主要依靠沿碳管軸向的熱傳導及熱輻射，碳管徑向熱阻較大，極大限制了熱傳遞的高效進行，目前僅少量用于發熱溫度較低的電熱地板。

發明內容