碳納米管線狀結構及其制備方法

專利名稱：碳納米管線狀結構及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種碳納米管結構及其制備方法，尤其涉及一種碳納米管線狀結構及 其制備方法。
背景技術：
碳納米管是一種由石墨烯片卷成的中空管狀物，其具有優異的力學、熱學及電學 性質。碳納米管應用領域非常廣闊，例如，它可用于制作場效應晶體管、原子力顯微鏡針尖、 場發射電子槍、納米模板等等。但是，現有技術中碳納米管的應用主要是碳納米管在微觀尺 度上的應用，而且操作較困難。所以，使碳納米管具有宏觀尺度的結構并在宏觀上應用具有
重要意義。碳納米管線狀結構是碳納米管宏觀結構中的一種。碳納米管線狀結構由多個碳納 米管組成，被認為是一種具有取代碳纖維、石墨纖維及玻璃纖維潛力的新型材料，可以廣泛 的應用于電磁屏蔽電纜、印刷電路板及特種防護服裝的紡織等領域。Baughman等人于2005年11月9日公開的，公開號為WO 2007/015710A2，標題為 "THE FABRICATION AND APPLICATION OF NANOFIBERRIBBONS AND SHEETS AND TWISTED AND NONTffISTED NANOFIBERYARNS"的PCT國際專利申請中揭示了一種碳納米管線狀結構的制 備方法，其包括以下步驟陣列化納米纖維以提供一充分平行排列的納米纖維陣列；從所 述納米纖維陣列中抽出所述納米纖維，獲得一納米纖維膜；扭轉該納米纖維膜得到一納米 纖維紗。然而，上述方法中納米纖維紗的直徑受到納米纖維陣列尺寸的限制。由于生長納 米纖維陣列的基底為硅片，且由于硅片制備工藝的限制，較大尺寸的硅片較難取得，而納米 纖維陣列的生長面積與生長該納米纖維陣列的硅片尺寸有關；也就是說較難獲得較大生長 面積的納米纖維陣列。因此，上述方法獲得的納米纖維紗的直徑較小，機械強度及韌性不夠 好，限制了該納米纖維紗的實際應用。

發明內容
有鑒于此，確有必要提供一種直徑較大，具有較好的機械強度及韌性的碳納米管 線狀結構及其制備方法。一種碳納米管線狀結構，其包括多個通過范德華力首尾相連的碳納米管，且該多 個碳納米管沿該碳納米管線狀結構的軸向擇優取向排列或沿該碳納米管線狀結構的軸向 螺旋排列。—種碳納米管線狀結構的制備方法，包括以下步驟提供多個共面設置的碳納米 管陣列；分別從所述多個碳納米管陣列中拉取多個碳納米管，以獲得多個碳納米管膜；將 所述多個碳納米管膜在一基準處匯合；以及合并處理所述匯合的多個碳納米管膜，獲得一 個碳納米管線狀結構。與現有技術相比較，本發明實施例提供的碳納米管線狀結構的制備方法，利用分 別從多個碳納米管陣列獲得多個碳納米管膜，再將該多個碳納米管膜同時處理為一個碳納
4米管線狀結構的方法，該碳納米管線狀結構的直徑不受單個碳納米管陣列大小的限制，且 具有較好的機械強度及韌性。


圖1是本發明第一實施例提供的碳納米管線狀結構的制備方法的流程圖。圖2是本發明第一實施例提供的生長有碳納米管陣列的基底的示意圖。圖3是本發明第一實施例提供的碳納米管線狀結構的制備過程示意圖。圖4是本發明第二實施例提供的碳納米管線狀結構的制備過程示意圖。
具體實施例方式下面將結合附圖以及具體實施例對本發明提供的碳納米管線狀結構及其制備方 法作進一步的詳細說明。請一并參閱圖1、圖2及圖3，本發明第一實施例提供一種碳納米管線狀結構的制 備方法，該制備方法主要包括以下步驟步驟S 101 提供多個共面設置的碳納米管陣列10。具體地，所述多個碳納米管陣列10分別形成于多個基底12上。所述多個基底12 分別具有一第一表面122及與該第一表面122相對的第二表面124。每個基底12的第一 表面122上生長有碳納米管陣列10。每個基底12的第二表面124均固定設置于同一平面 上。該多個形成有碳納米管陣列10的基底12可以在一個平面內排列成直線形、弧形、鋸齒 形或其它形狀。該形成有碳納米管陣列10的基底12的數量不限。本實施例中，包括三個 形成有碳納米管陣列10的基底12，且該三個基底12排列成直線形。所述碳納米管陣列10由多個碳納米管組成，該碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳 納米管及多壁碳納米管中的一種或多種。本實施例中，該多個碳納米管為多壁碳納米管，且 該多個碳納米管基本上相互平行，不含雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。所述 碳納米管陣列10的制備方法不限，可采用化學氣相沉積法或其它方法制得。優選地，該碳 納米管陣列10為超順排碳納米管陣列10。步驟S102 分別從所述多個碳納米管陣列10中拉取多個碳納米管，以獲得多個碳 納米管膜20。從所述碳納米管陣列10中拉取獲得碳納米管膜20的方法具體包括以下步驟首 先，采用一拉伸工具與一個碳納米管陣列10中的多個碳納米管相粘結；其次，以一定速度 沿與該碳納米管陣列10的基底12的第一表面122成預定角度，并沿遠離碳納米管陣列10 的方向拉伸該多個碳納米管，該多個碳納米管在拉力作用下沿該拉伸方向逐漸脫離基底12 的第一表面122的同時，由于范德華力作用，該選定的多個碳納米管分別與其它碳納米管 首尾相連地連續地被拉出，以形成一連續的碳納米管膜20。該碳納米管膜20中的碳納米管 的軸向基本平行于該碳納米管膜20的拉伸方向。其中，所述拉伸過程中的預定角度的范圍 為大于0°，小于等于30°，優選為大于0°，小于等于5°。本實施例中，所述拉伸工具優選 為一具有一定寬度的膠帶，該膠帶的寬度略大于該膠帶與碳納米管陣列10粘結處的寬度， 所述預定角度為5°左右。步驟S103 將所述多個碳納米管膜20在一基準處22匯合。
由于所述多個碳納米管陣列10共面設置，從所述多個碳納米管陣列10中拉膜時， 應確保拉伸的方向均從各個碳納米管陣列10朝向基準處22。在拉伸多個碳納米管的過程 中，所述多個碳納米管膜20逐漸向基準處22靠攏并最終在基準處22匯合。由于每個碳納 米管膜20都有較強的粘性，所述多個碳納米管膜20在基準處22會相互粘結在一起。其中，在所述多個碳納米管膜20向所述基準處22匯合的過程中，所述多個碳納米 管膜20中最外端的兩個碳納米管膜20在所述基準處22的最大夾角α大于0°，且小于 180°，優選大于0°，且小于等于60°。本實施例中，所述多個碳納米管膜20中最外端的 兩個碳納米管膜20在所述基準處22的最大夾角α為60°。步驟S104 合并處理所述匯合的多個碳納米管膜20，獲得一個碳納米管線狀結構 24。所述合并處理所述多個碳納米管膜20，獲得一個碳納米管線狀結構24的方法包 括機械力處理法或有機溶劑處理法。所述機械力處理法包括在所述基準處22，將匯合的多個碳納米管膜20直接采用 施加機械力的方式扭轉為一個碳納米管線狀結構24。具體地，首先，將在基準處22匯合的 多個碳納米管膜20固定在一個可旋轉的輥子上；其次，使所述輥子一邊旋轉一邊基本沿遠 離碳納米管陣列10的方向運動，其中該輥子以拉伸方向為軸心進行逆時針或順時針旋轉。 優選地，該輥子以拉伸方向為軸心進行逆時針旋轉。在所述輥子的運動過程中，多個碳納米 管膜20分別從多個碳納米管陣列10中被拉出后，又在該輥子產生的機械力的作用下逆時 針或順時針扭轉成一個碳納米管線狀結構24，從而可以實現碳納米管線狀結構24的連續 制備。由于每個碳納米管膜20都有較強的粘性，所以所述多個碳納米管膜20扭轉之后將 會緊密的相互粘結在一起，各個碳納米管膜20之間沒有明顯的界面，所以，從該碳納米管 線狀結構24的橫截面分不出該碳納米管線狀結構24是由幾個碳納米管膜20組成的，各個 碳納米管膜20均勻分散在該碳納米管線狀結構24中。采用機械力處理法獲得的碳納米管 線狀結構24包括多個通過范德華力首尾相連的碳納米管，且該多個碳納米管繞該碳納米 管線狀結構24的軸向螺旋排列。該碳納米管線狀結構24的長度不限。另外，由上述方法獲得的碳納米管線狀結構24可進一步采用有機溶劑處理。具體 地，可以通過試管或滴瓶將有機溶劑32滴落在所述碳納米管線狀結構24的表面，浸潤整個 碳納米管線狀結構24。本實施例中，將一滴瓶30放置于碳納米管線狀結構24上方，滴瓶 30底部具有一滴口 34，有機溶劑32從滴口 34滴落于碳納米管線狀結構24的表面。該有 機溶劑32為易揮發性的有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中優選 采用乙醇。該碳納米管線狀結構24經有機溶劑32浸潤處理后，在揮發性有機溶劑32的表 面張力的作用下，該碳納米管線狀結構24中的碳納米管收縮的更為緊密。有機溶劑處理后 的該碳納米管線狀結構24包括多個通過范德華力首尾相連的碳納米管，且該多個碳納米 管繞該扭轉的碳納米管線狀結構24的軸向螺旋排列。另外，從有機溶劑處理后的該碳納米 管線狀結構24的橫截面分不出有機溶劑處理后的該碳納米管線狀結構24是由幾個碳納米 管膜20組成的，各個碳納米管膜20均勻分散在該有機溶劑處理后的碳納米管線狀結構24 中，且各個碳納米管膜20之間沒有明顯的界面。所述有機溶劑處理法合并處理所述多個碳納米管膜20，獲得一個碳納米管線狀結 構24的方法具體包括以下步驟首先，在基準處22，通過合股將所述多個碳納米管膜20合并為一個預處理碳納米管結構。所述預處理碳納米管結構是指該多個碳納米管膜20的簡 單交疊。由于每個碳納米管膜20都有較大的比表面積，所以所述多個碳納米管膜20合股之 后將會相互粘結在一起，各個碳納米管膜之間沒有明顯的界面。其次，用有機溶劑處理所述 預處理碳納米管結構，得到一個碳納米管線狀結構24。從該碳納米管線狀結構24的橫截面 分不出該碳納米管線狀結構24是由幾個碳納米管膜20組成的，各個碳納米管膜20均勻分 散其中，且各個碳納米管膜20之間沒有明顯的界面。所述用有機溶劑處理所述預處理碳納 米管結構的方法與上述用有機溶劑處理扭轉后的碳納米管線狀結構24的方法相同。可采 用試管或滴瓶將有機溶劑32滴落在所述預處理碳納米管結構的表面，浸潤整個預處理碳 納米管結構。不同之處在于，在有機溶劑的作用下，預處理碳納米管結構的表面張力減小， 自動收縮成一個碳納米管線狀結構24 ；在該有機溶劑處理法中，所述碳納米管線狀結構24 在形成過程中不需要扭轉所述預處理碳納米管結構。其中，所述碳納米管線狀結構24包 括多個通過范德華力首尾相連的碳納米管，且該多個碳納米管基本沿碳納米管線狀結構24 的軸向擇優取向排列。本實施例中，采用機械力處理法得到一個碳納米管線狀結構24，并對該碳納米管 線狀結構24進行有機溶劑處理。進一步地，烘干上述采用有機溶劑處理后的碳納米管線狀結構24。具體地，可以 使所述經有機溶劑處理后的碳納米管線狀結構24通過一烘干箱36，該烘干箱36的溫度為 80°C 100°C，可以加速有機溶劑處理后的該碳納米管線狀結構24中的有機溶劑的揮發， 使得碳納米管線狀結構24種的碳納米管更密排列。另外，也可以采用一吹風機將該經過有 機溶劑處理的碳納米管線狀結構24中的有機溶劑吹干。上述通過有機溶劑處理后的碳納米管線狀結構24粘性降低，可以很容易收集起 來。具體地，本實施例采用電機38將有機溶劑處理后的該碳納米管線狀結構24纏繞到該 電機38的線軸28上。另外，也可采用手工的方法將有機溶劑處理后的該碳納米管線狀結 構24卷到線軸28上。所述碳納米管線狀結構24的直徑與碳納米管陣列的大小及碳納米管陣列的數量 有關。碳納米管線狀結構24的直徑大于1微米，可以達到50微米以上。本實施例中，所述 碳納米管線狀結構24的直徑為130微米。可以理解，上述制備碳納米管線狀結構24的過程是連續進行的。請參閱圖4，本發明第二實施例提供一種碳納米管線狀結構的制備方法，主要包括 以下步驟步驟S201 提供多個共面設置的碳納米管陣列40。步驟S202 分別從所述多個碳納米管陣列40中拉取多個碳納米管，以獲得多個碳 納米管膜50。步驟S203 在所述多個碳納米管膜50表面形成至少一金屬層，從而形成多個碳納 米管復合膜52。所述金屬層的材料優選為金、銀、鉬、銅或其合金，該金屬層的厚度優選為1納 米 20納米。所述在所述多個碳納米管膜50表面形成至少一金屬層的方法可采用物理方 法，如物理氣相沉積法(PVD)，PVD法包括真空蒸鍍或離子濺射等；也可采用化學方法，如電 鍍或化學鍍等。所述碳納米管復合膜52中金屬層形成于該碳納米管膜50中的碳納米管表面。優選地，本實施例中，可直接將拉出的碳納米管膜50通過一個真空腔體60，采用PVD法 中的真空蒸鍍法分別在所述多個碳納米管膜50表面形成一銅金屬層及一鉬金屬層，以形 成所述多個碳納米管復合膜52。步驟S204 將所述多個碳納米管復合膜52在一基準處54匯合。該步驟的形成方法與第一實施例中的步驟S 103的形成方法相同。在所述多個碳 納米管復合膜52在向所述基準處54匯合的過程中，所述多個碳納米管復合膜54中最外端 的兩個碳納米管復合膜52在所述基準處54的最大夾角α大于0°，且小于180°，優選大 于0°，且小于等于60°。本實施例中，所述多個碳納米管復合膜52中最外端的兩個碳納 米管復合膜52在所述基準處54的最大夾角α為60°。步驟S205 合并處理所述匯合的多個碳納米管復合膜52，以獲得一個碳納米管線 狀結構56。所述步驟S205與第一實施例之步驟S104相似。本實施例中，采用有機溶劑處理 法合并處理所述多個碳納米管復合膜52。所述匯合的多個碳納米管復合膜52為一預處理 碳納米管復合結構，該預處理碳納米管復合結構為該多個碳納米管復合膜52的簡單交疊。 用有機溶劑32處理所述預處理碳納米管復合結構，得到一個碳納米管線狀結構56，該碳納 米管線狀結構56經過烘干箱36烘干后纏繞到電機38的線軸28上。所述有機溶劑32處 理碳納米管線狀結構56的方法為將滴瓶30放置于該預處理碳納米管復合結構上方，有機 溶劑32從滴瓶30的滴口 34滴落于該預處理碳納米管復合結構的表面。本實施例提供的碳納米管線狀結構56的結構與第一實施例提供的碳納米管線狀 結構24的結構基本相同從該碳納米管線狀結構56的橫截面分不出該碳納米管線狀結構 56是由幾個碳納米管復合膜52組成的，各個碳納米管復合膜52均勻分散在該碳納米管線 狀結構56中，且各個碳納米管復合膜52之間沒有明顯的界面；不同之處在于該碳納米管 線狀結構56為碳納米管復合線狀結構。該碳納米管線狀結構56包括多個通過范德華力首 尾相連的碳納米管，且該多個碳納米管沿同一方向擇優取向排列；且該多個碳納米管的表 面設置有至少一金屬層。具體地，本實施例中，該碳納米管線狀結構56中的所述多個碳納 米管的表面設置有銅金屬層及鉬金屬層，且該銅金屬層設置于該多個碳納米管與鉬金屬層 之間。所述碳納米管線狀結構56的直徑大于1微米，可以達到50微米以上。本實施例中， 碳納米管線狀結構56的直徑為200微米。本發明實施例提供的碳納米管線狀結構及其制備方法具有以下優點第一，通過 從多個碳納米管陣列獲得多個碳納米管膜，再將該多個碳納米管膜合并處理為一碳納米管 線狀結構，該碳納米管線狀結構的直徑不受單個碳納米管陣列大小的限制，從而可以簡單、 方便的得到所需要直徑的碳納米管線狀結構。第二，本發明實施例還可以提供直徑不受限 制的碳納米管復合線狀結構。第三，通過本發明實施例提供的碳納米管線狀結構的制備方 法得到的碳納米管線狀結構具有良好的導電性能、導熱性能、機械強度及韌性，可以廣泛的 應用于電磁屏蔽電纜、印刷電路板、燈絲以及各種防護服裝的紡織等宏觀領域。另外，本領域技術人員還可以在本發明精神內做其它變化，這些依據本發明精神 所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的范圍內。
權利要求
一種碳納米管線狀結構的制備方法，包括以下步驟提供多個共面設置的碳納米管陣列；分別從所述多個碳納米管陣列中拉取多個碳納米管，以獲得多個碳納米管膜；將所述多個碳納米管膜在一基準處匯合；以及合并處理所述匯合的多個碳納米管膜，獲得一個碳納米管線狀結構。
2.如權利要求1所述的碳納米管線狀結構的制備方法，其特征在于，所述合并處理所 述匯合的多個碳納米管膜，獲得一個碳納米管線狀結構的方法包括機械力處理法或有機溶 劑處理法。
3.如權利要求2所述的碳納米管線狀結構的制備方法，其特征在于，所述機械力處理 法包括在所述基準處，采用直接施加機械力的方式扭轉所述匯合的多個碳納米管膜的步馬聚ο
4.如權利要求3所述的碳納米管線狀結構的制備方法，其特征在于，所述采用直接施 加機械力的方式扭轉所述匯合的多個碳納米管膜的步驟之后進一步包括采用有機溶劑處 理所述扭轉后的碳納米管線狀結構的步驟。
5.如權利要求2所述的碳納米管線狀結構的制備方法，其特征在于，所述有機溶劑處 理法包括以下步驟在一基準處，通過合股的方式將所述多個碳納米管膜合并為一個預處 理碳納米管結構；用有機溶劑處理該預處理碳納米管結構，得到一個碳納米管線狀結構。
6.如權利要求4或5所述的碳納米管線狀結構的制備方法，其特征在于，進一步包括烘 干采用有機溶劑處理后的碳納米管線狀結構的步驟。
7.如權利要求1所述的碳納米管線狀結構的制備方法，其特征在于，所述多個碳納米 管膜中最外端的兩個碳納米管膜在所述基準處的最大夾角大于0°，且小于180°。
8.如權利要求7所述的碳納米管線狀結構的制備方法，其特征在于，所述多個碳納米 管膜中最外端的兩個碳納米管膜在所述基準處的最大夾角大于0°，且小于等于60°。
9.如權利要求1所述的碳納米管線狀結構的制備方法，其特征在于，所述將該多個碳 納米管膜在一基準處匯合的步驟之前進一步包括在該多個碳納米管膜上形成至少一金屬 層，以獲得多個碳納米管復合膜的步驟。
10.如權利要求9所述的碳納米管線狀結構的制備方法，其特征在于，所述在所述多個 碳納米管膜上形成至少一金屬層的方法包括物理氣相沉積法、化學鍍或電鍍。
11.如權利要求2所述的碳納米管線狀結構的制備方法，其特征在于，所述碳納米管線 狀結構進一步被收集到一線軸上。
12.如權利要求1所述的碳納米管線狀結構的制備方法，其特征在于，所述碳納米管線 狀結構的制備過程是連續進行的。
13.如權利要求1所述的碳納米管線狀結構的制備方法制備的碳納米管線狀結構，其 特征在于，所述碳納米管線狀結構包括多個通過范德華力首尾相連的碳納米管，且該多個 碳納米管沿該碳納米管線狀結構軸向擇優取向排列或沿該碳納米管線狀結構的軸向螺旋 排列。
14.如權利要求13所述的碳納米管線狀結構，其特征在于，所述多個碳納米管的表面 設置有至少一金屬層。
15.如權利要求13所述的碳納米管線狀結構，其特征在于，所述碳納米管線狀結構的直徑大于50微米。
全文摘要
本發明涉及一種碳納米管線狀結構的制備方法，包括以下步驟提供多個共面設置的碳納米管陣列；分別從所述多個碳納米管陣列中拉取多個碳納米管，以獲得多個碳納米管膜；將多個碳納米管膜在一基準處匯合；以及合并處理所述匯合的多個碳納米管膜。由該方法制備的碳納米管線狀結構的直徑不受單個碳納米管陣列大小的限制，且具有較好的機械強度及韌性。
文檔編號B82B3/00GK101905878SQ200910107679
公開日2010年12月8日 申請日期2009年6月4日 優先權日2009年6月4日
發明者馮辰, 姜開利, 范守善 申請人:清華大學;鴻富錦精密工業(深圳)有限公司