[發明專利]一種高電導率雙壁碳納米管薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 202011181273.2
• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112279238B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 沈健民;王博;曾培源;李建穩
• 申請（專利權）人: 南京源昌新材料有限公司
• 主分類號: C01B32/16
• 分類號: C01B32/16
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 崔玥

本發明公開了一種高電導率雙壁碳納米管薄膜的制備方法，通過將催化劑和促進劑溶解在有機碳源中形成均勻的溶液，然后將溶液霧化，形成大小均勻的液滴，在載氣的帶動下進入管式爐內連續生成桶狀雙壁碳納米管氣凝膠，將其引導至輥筒上，收集一段時間后即可獲得雙壁碳納米管薄膜；本發明利用浮動化學氣相沉積法，通過改變催化劑、促進劑和碳源的種類和用量，控制催化劑顆粒的大小，對碳納米管的結構進行精確調控，最終得到了高電導率雙壁碳納米管薄膜；本發明所制備的高電導率雙壁碳納米管薄膜具有產量大、電導率高、純度高和雜質少等優點。

技術領域

本發明涉及納米材料技術領域，尤其涉及一種高電導率雙壁碳納米管薄膜的制備方法。

背景技術

1991年，日本人Iijima首次正式報道了碳納米管的存在。碳納米管以其優異的力學性能、導電、導熱能力和在高溫、酸堿等極端條件下的穩定性吸引了人們的廣泛注意。但是，現有的碳納米管產品幾乎全部都是粉體，其中碳納米管的管徑在幾納米到幾十納米之間，長度在幾百納米到幾十微米，難以像常規塊體或者纖維材料一樣應用，發揮其力學、導電和導熱性能上的優勢。

2004年以來，使用浮動催化化學氣相沉積法制備的碳納米管薄膜成為碳納米管宏觀體中一種重要的結構形式。由于碳納米管薄膜內部不含有機粘合劑成份，碳納米管之間由化學鍵和范德華力聯接在一起，所以碳納米管薄膜不但繼承了碳納米管的各種優異理化性能，而且非常輕薄柔韌，因此在國防軍工、航空航天和民用市場都具有極高的應用價值。

碳納米管薄膜的各項關鍵性能指標主要由碳納米管的內部結構及其所構成的導電網絡而決定。分析表明，碳納米管的管徑和管壁結構決定了碳納米管薄膜的整體導電性能。在碳源的總量固定的前提下，碳納米管薄膜內部碳納米管直徑越小，管壁厚度越薄，則構筑碳納米管所需要的原材料，碳源，也就越少；于此同時，碳納米管薄膜內部碳納米管的數量則以幾何級數增加，大大提高了碳納米管薄膜內部導電網絡的完整性和電導率。然而，在碳納米管管徑下降至3納米以下，管壁結構由多壁轉變為單壁的情況下，由于單層石墨烯卷曲的結構不同，單壁碳納米管可分為扶手椅型、鋸齒型和手性三種，碳納米管的導電性也隨之發生極大變化，2/3的單壁碳納米管是半導體型，僅有1/3的單壁碳納米管是金屬型。如果同樣質量的碳納米管構成薄膜，雖然單壁碳納米管數量比平均直徑在10-20納米的多壁碳納米管高出1-2個數量級，導電網絡完整性最佳，但是，2/3的半導體型單壁碳納米管的存在嚴重影響了薄膜的整體電導率。

雙壁碳納米管，作為結構最簡單的多壁碳納米管，與單壁碳納米管相比，雖然單位質量碳源生成的碳納米管數量降低約50%，但是雙壁碳納米管具有導電性良好的優勢。因此，碳納米管薄膜的整體電導率隨碳納米管管徑和管壁層數的下降呈上升趨勢，并且在管壁石墨烯層數為兩層時達到最大值。開發浮動催化氣相沉積法制備雙壁碳納米管薄膜的新工藝是實現大規模量產高電導率碳納米管薄膜的關鍵。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，針對以上現有技術存在的缺點，提供一種高電導率的雙壁碳納米管薄膜及其制備方法，利用化學氣相沉積法合成了桶狀雙壁碳納米管氣凝膠，并將其制成碳納米管薄膜。

本發明解決以上技術問題的技術方案是：一種高電導率雙壁碳納米管薄膜的制備方法，其中碳納米管薄膜由雙壁碳納米管組成，該高電導率雙壁碳納米管薄膜的制備方法包括以下步驟：

S1混合攪拌：向燒杯中分別加入碳源、催化劑和促進劑，充分攪拌至完全溶解；

S2升溫通氣：將臥式高溫管式爐升溫，同時向其中和收集箱體內通入惰性氣體，待管式高溫爐升至目標溫度后再向體系內通入氫氣；

S3制管：將步驟S1中配置的溶液注入霧化器中，將溶液霧化形成大小均勻的微小液滴，調節氫氣流量，以恒定流速將小液滴帶入步驟S2中的管式爐內，后得到桶狀雙壁碳納米管氣凝膠；