一種高取向高致密化碳納米管膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高取向高致密化碳納米管膜及其制備方法，屬于碳納米管薄膜【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明通過對無規(guī)取向的碳納米管膜牽伸和加壓密實(shí)，并且根據(jù)需要進(jìn)行多次牽伸和加壓密實(shí)的步驟，得到高取向碳納米管膜，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其中取向度可達(dá)9.2，體密度可達(dá)1.12g/cm3。經(jīng)過兩次牽伸和兩次壓實(shí)處理后的碳納米管膜的斷裂伸長率低于5%的情況下其拉伸強(qiáng)度達(dá)到652MPa；碳納米管膜牽伸率可高達(dá)50%；可以制備數(shù)十厘米以上的較大尺寸的高取向高致密化碳納米管膜。
【專利說明】一種高取向高致密化碳納米管膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳納米管膜的制備方法，尤其涉及一種高取向高致密化碳納米管膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自1991年日本電鏡專家Iijima在真空電弧蒸發(fā)的石墨電極中觀察到碳納米管(CNTs)以來，CNTs就因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能引起了世界范圍內(nèi)不同研究領(lǐng)域?qū)＜覀兊膹V泛興趣。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明碳納米管的拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別高達(dá)200GPa和lTPa，同時(shí)碳納米管具有優(yōu)異電和熱性能。碳納米管潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括太陽能電池、平板顯示器、傳感器、鋰離子電池等。然而，碳納米管為納米材料，將其制備成宏觀體才更具有實(shí)際應(yīng)有價(jià)值。目前，碳納米管宏觀體包括碳納米管陣列、碳納米管纖維、碳納米管絲帶、碳納米管膜等。碳納米管膜是碳納米管通過管間的范德華力相互纏結(jié)形成的自支撐膜狀宏觀體。但是，目前碳納米管膜的性能遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期水平，其主要原因?yàn)?碳納米管膜中碳納米管排列較疏松，碳納米管在碳納米管膜中的取向程度較差。因此，制備高取向高致密化碳納米管膜是實(shí)現(xiàn)碳納米管具體應(yīng)用中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
[0003]目前，取向碳納米管膜的制備方法有磁場抽濾法、滾壓法、牽引法。磁場抽濾法是基于碳納米管分散液，故在分散過程中需要對碳納米管進(jìn)行物理或者化學(xué)處理，這將顯著降低碳納米管的性能，該方法僅適用于長徑比小的碳納米管，得到的碳納米管的取向度較差，性能偏低。滾壓法和牽引法是基于碳納米管陣列進(jìn)行一定的處理，碳納米管膜的尺寸受到陣列尺寸規(guī)格的限制并且陣列的生產(chǎn)效率較低、生產(chǎn)成本較高。因此，迫切需要一種高效低成本技術(shù)來制備大尺寸的高取向高致密化碳納米管膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種高效的、低成本的、操作簡便的方法來制備高取向高致密化碳納米管膜。所述高取向高致密化碳納米管膜的制備方法包括如下步驟:
[0005]第一步，制備碳納米管膜。
[0006]第二步，對碳納米管膜進(jìn)行牽伸，第一次牽伸率20%~40%。
[0007]第三步，對牽伸后的碳納米管膜進(jìn)行加壓密實(shí)。
[0008]第四步，如果密實(shí)后碳納米管膜滿足性能要求，則結(jié)束；否則重復(fù)牽伸和密實(shí)I~3次，直至牽伸后碳納米管膜的斷裂伸長率不高于5%，或者滿足取向度的要求；每次牽伸的牽伸率小于上一次牽伸的牽伸率。優(yōu)選的，二次牽伸的牽伸率為5%~15%之間，具體取值根據(jù)碳納米管膜的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行選取。
[0009]經(jīng)過本發(fā)明制備方法所得到的碳納米管膜，具有高取向高致密度，其中取向度可達(dá)9.2，體密度可達(dá)1.12g/cm3。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0011] (I)本發(fā)明采用的碳納米管膜由幾十至幾百層0.1 μ m的薄膜單元構(gòu)成，碳納米管在薄膜單元面內(nèi)分布，是用于碳納米管牽伸取向的理想材料。
[0012](2)本發(fā)明提供的制備方法對碳納米管膜進(jìn)行多次牽伸、壓實(shí)，可獲得高牽伸率，碳納米管膜牽伸率可高達(dá)50%。
[0013](3)本發(fā)明制備的碳納米管膜具有高取向度，由極化拉曼光譜測定的取向度(Ie///IG±)可達(dá)到9.2。
[0014](4)本發(fā)明制備的碳納米管膜具有高致密度，碳納米管膜密度達(dá)1.12g/cm3。
[0015](5)本發(fā)明制備的高取向碳納米管膜具有優(yōu)異的力學(xué)性能，經(jīng)過兩次牽伸和兩次壓實(shí)處理后的碳納米管膜的斷裂伸長率低于5%的情況下其拉伸強(qiáng)度達(dá)到652MPa。
[0016](6)本發(fā)明可以制備數(shù)十厘米以上的較大尺寸的高取向高致密化碳納米管膜。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明中未牽伸無規(guī)取向碳納米管膜表面形貌；
[0018]圖2是本發(fā)明中無規(guī)取向碳納米管膜進(jìn)行30%牽伸后碳納米管膜的表面形貌；
[0019]圖3是本發(fā)明中無規(guī)取向碳納米管膜經(jīng)過30%牽伸并壓實(shí)處理后的碳納米管膜表面形貌；
[0020]圖4是本發(fā)明中 無規(guī)取向碳納米管膜經(jīng)過三個拉伸-壓實(shí)循環(huán)處理后的碳納米管膜的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0022]本發(fā)明提供一種高取向高致密化碳納米管膜及其制備方法，所述制備方法包括如下步驟:
[0023]第一步，制備無規(guī)取向的碳納米管膜。
[0024]所述碳納米管膜采用氣相沉積法進(jìn)行制備，碳納米管膜由幾十至幾百層0.1 μ m的薄膜單元構(gòu)成，所述薄膜單元內(nèi)碳納米管交叉堆積，呈無規(guī)狀態(tài)分布。
[0025]氣相沉積法制備碳納米管膜包括以下步驟:(I)在惰性氣體(如氬氣、氫氣或兩者混合物)的保護(hù)作用下，將碳源乙醇、噻吩與催化劑二茂鐵混合體系注入高溫管式爐中。(2)在高溫管式爐的另一端采用纏繞裝置收集形成的碳納米管氣凝膠，單層碳納米管氣凝膠薄膜厚度約為0.1 μ m，采用揮發(fā)性溶液噴灑于碳納米管氣凝膠，揮發(fā)性溶液揮發(fā)后形成碳納米管膜，隨著纏繞碳納米管氣凝膠厚度變化，最終碳納米管膜厚度幾微米至幾百微米。這種碳納米管膜的生產(chǎn)方法更容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)批量化生產(chǎn)，而且通過調(diào)整高溫管式爐的直徑以及纏繞裝置可以控制碳納米管膜的尺寸，因而更能夠滿足實(shí)際的應(yīng)用。上述方法中可以通過調(diào)節(jié)纏繞的時(shí)間來控制碳納米管膜的厚度，但不低于0.1 μ m。改變生長條件可以得到單壁碳納米管、少壁碳納米管和多壁碳納米管中的一種或多種，碳納米管通過范德華力相互纏結(jié)形成自支撐碳納米管膜。碳納米管與碳納米管膜幾乎同時(shí)形成，因此碳納米管的優(yōu)異性能損耗較小。
[0026]第二步，對碳納米管膜進(jìn)行牽伸，牽伸率20%~40%。
[0027]氣相沉積法制備碳納米管膜中，碳納米管隨機(jī)取向。本發(fā)明采取機(jī)械牽伸這一簡便方法提高碳納米管膜的取向度。為保證牽伸過程正常進(jìn)行，夾頭間碳納米管膜的長度與寬度比不低于3。牽伸速度0.1~0.5mm/min。牽伸過程中,碳納米管沿牽伸方向擇優(yōu)取向，碳納米管膜的寬度明顯降低，厚度增大，碳納米管與碳納米管間作用力減弱。
[0028]第三步，加壓密實(shí)牽伸后的碳納米管膜。
[0029]為得到高取向度碳納米管膜，增加碳納米管間作用力，對牽伸后的碳納米管膜主要采用物理密實(shí)方法進(jìn)行壓實(shí)，提高碳納米管膜的密度，同時(shí)，亦可采用化學(xué)密實(shí)方法。
[0030]所述物理密實(shí)方法包括以下步驟:
[0031](a)為防止密實(shí)過程中破壞碳納米管膜結(jié)構(gòu)，同時(shí)保證碳納米管膜完整地從壓實(shí)模具上取出，在碳納米管膜與密實(shí)用平板模具中間放置一層隔離膜，如聚四氟乙烯膜。
[0032](b)將碳納米管膜夾在兩個平整的平板模具中，該平板模具由剛性材料制備，如碳鋼。
[0033](C)將放好碳納米管膜的平板模具置于加壓裝置中均勻加壓，壓力0.5~3.0MPa,加壓時(shí)間不低于10分鐘，卸掉壓力并將碳納米管膜從平板模具中取出。所述加壓裝置選擇壓機(jī)等。
[0034]所述化學(xué)密實(shí)方法具體為:將牽伸后的碳納米管膜浸入丙酮、乙醇或苯等溶劑中，浸潤10~30分鐘，將碳納米管膜取出，放于真空烘箱內(nèi)，加熱至50~80°C促進(jìn)溶劑揮發(fā)，由于液體表面張力作用，溶劑揮發(fā)同時(shí)，碳納米管膜逐漸密實(shí)。
[0035]為得到高取向高 致密化的碳納米管膜，進(jìn)行多次牽伸與加壓密實(shí)處理過程I~3個循環(huán)，直至碳納米管膜厚度維持不變。每次牽伸過程中碳納米管膜長度與寬度比不低于3，牽伸速度0.1~0.5mm/min ;物理加壓密實(shí)壓力0.5~3.0MPa，加壓時(shí)間不低于10分鐘。經(jīng)多次牽伸與加壓密實(shí)處理后，碳納米管膜伸長率可達(dá)到30%~50%，得到高取向高致密化碳納米管膜，利用極化拉曼光譜表征，平行與垂直于碳納米管膜牽伸方向G峰的比值Ie〃/Ie I由牽伸前的1.1可增加至牽伸后的9.2。所述的多次牽伸過程中，每次牽伸的牽伸率低于上一次牽伸的牽伸率。二次牽伸的牽伸率優(yōu)選為5%~15%之間。
[0036]本發(fā)明制備的碳納米管膜具有優(yōu)異的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能，在結(jié)構(gòu)材料、電子器件導(dǎo)熱和電磁屏蔽等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
[0037]實(shí)施例1
[0038]應(yīng)用本發(fā)明提供的制備方法，通過一次牽伸制備牽伸率30%斷裂伸長率低于5%的高取向碳納米管膜，具體步驟如下:
[0039]第一步，碳納米管膜的制備；
[0040]在惰性氣體的保護(hù)作用下，將乙醇、二茂鐵和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300°C的高溫管式爐中。惰性氣體為氬氣與氫氣(體積比為1:1)的混合物，其流量為4000sCCm。在高溫管式爐的另一端形成連續(xù)的碳納米管氣凝膠，通過纏繞裝置收集碳納米管氣凝膠，氣凝膠單層厚度約0.1 μ m，同時(shí)用乙醇與水的混合液噴灑碳納米管氣凝膠得到碳納米管膜。收集30分鐘得到長25cm、寬20cm和厚10 μ m的碳納米管膜，其體密度為
0.47g/cm3。此碳納米管膜的拉伸強(qiáng)度為185MPa。如圖1所示，制備得到的碳納米管膜中，碳納米管在膜面內(nèi)二維無規(guī)分布，不沿厚度分布，碳納米管膜孔隙尺寸為幾十個納米至上百個納米。
[0041]第二步，碳納米管膜的牽伸；
[0042]利用手術(shù)刀從上述得到的碳納米管膜上切取長35mm、寬Imm的碳納米管膜的長方形樣條。用Instr0n3344力學(xué)試驗(yàn)機(jī)夾持碳納米管膜樣條并進(jìn)行30%的牽伸，夾頭兩端距離為20mm,牽伸速率為0.5mm/min。圖2顯示,經(jīng)過30%牽伸后碳納米管膜在牽伸方向表現(xiàn)出較高的碳納米管取向，取向度通常采用極化拉曼光譜表征，平行與垂直于碳納米管牽伸方向G峰的比值WIeI越大取向度越大，牽伸前后Ig"/Ig±R 1.1增加至5.5。
[0043]第三步，取向碳納米管膜的密實(shí)；
[0044]將牽伸后的碳納米管膜浸入丙酮溶劑中，浸潤30分鐘，將碳納米管膜取出，放于真空烘箱內(nèi)，加熱至50°C促進(jìn)溶劑揮發(fā)，由于液體表面張力作用，溶劑揮發(fā)同時(shí)，碳納米管膜逐漸密實(shí)，其體密度增加至0.68g/cm3。如圖3所示，密實(shí)處理后的碳納米管膜孔隙尺寸減小到幾個納米至十幾個納米。此時(shí)的碳納米管膜的斷裂伸長率為4.6%，拉伸最大應(yīng)力為420MPa。
[0045]實(shí)施例2
[0046]應(yīng)用本發(fā)明提供的制備方法，通過兩次牽伸制備牽伸率40%、斷裂伸長率低于5%的高取向碳納米管膜，具體步驟如下:[0047]第一步，碳納米管膜的制備；
[0048]在惰性氣體的保護(hù)作用下，將乙醇、二茂鐵和噻吩的混合液以0.15ml/min的速度注入到1300°C的高溫管式爐中。惰性氣體為氬氣與氫氣(體積比為1:1)的混合物，其流量為4000sCCm。在高溫管式爐的另一端形成連續(xù)的碳納米管氣凝膠，通過纏繞裝置收集碳納米管氣凝膠，同時(shí)用乙醇與水的混合液噴灑碳納米管氣凝膠得到碳納米管膜。收集45分鐘得到長25cm、寬20cm和厚15 μ m的碳納米管膜。與實(shí)施例1對比，該膜厚度更大，具有更好的可牽伸性，其體密度為0.48g/cm3。此碳納米管膜的拉伸強(qiáng)度為195MPa。
[0049]第二步，碳納米管膜的牽伸；
[0050]利用手術(shù)刀從上述得到的碳納米管膜上切取長10cm、寬2cm的碳納米管膜的長方形樣條。用Instron3344力學(xué)試驗(yàn)機(jī)夾持碳納米管膜樣條并進(jìn)行30%的牽伸,試驗(yàn)機(jī)夾頭兩端距離為8cm,牽伸速率為0.5mm/min。
[0051]第三步，碳納米管膜的密實(shí)；
[0052]將牽伸后的碳納米管膜夾在兩片厚度為1mm、邊長為15cm的正方形鋼模具中，為了易于將碳納米管膜從鋼模具中分離下來，在碳納米管膜與鋼模具之間均鋪一層厚度為30微米、邊長為15cm的聚四氟乙烯薄膜。將夾有碳納米管膜樣品的模具置于熱壓機(jī)中，在室溫下施加2MPa的壓力并保持10分鐘。此時(shí)的碳納米管膜的斷裂伸長率為13.5%，拉伸強(qiáng)度為 430MPa。
[0053]第四步，碳納米管膜的二次牽伸；
[0054]將上述第三步密實(shí)后的碳納米管膜樣品，再次采用Instron3344力學(xué)試驗(yàn)機(jī)夾持碳納米管膜長條并進(jìn)行10%的牽伸，牽伸速率為0.2mm/min。
[0055]第五步，碳納米管膜的二次壓實(shí)；
[0056]將二次牽伸后的碳納米管膜夾在兩片厚度為1mm、邊長為15cm的正方形鋼模具中，為了易于將碳納米管從鋼片中分離下來，在碳納米管膜與鋼片之間均鋪一層厚度為30微米、邊長為15cm的聚四氟乙烯薄膜。將夾有碳納米管膜樣品的模具置于熱壓機(jī)中，在室溫下施加2MPa的壓力并保持10分鐘。
[0057]經(jīng)過第二次牽伸與壓實(shí)，I增加至8.5，體密度增加至0.98g/cm3。碳納米管膜的斷裂伸長率為4.5%，承受的最大拉伸應(yīng)力為598MPa。
[0058]實(shí)施例3
[0059]應(yīng)用本發(fā)明提供的制備方法，通過三次牽伸制備牽伸率50%、斷裂伸長率低于5%的高取向碳納米管膜，具體步驟如下:
[0060]第一步，碳納米管膜的制備；
[0061]在惰性氣體的保護(hù)作用下，將乙醇、二茂鐵和噻吩的混合液以0.14ml/min的速度注入到1300°C的高溫管式爐中。惰性氣體為流量為4000SCCm。在高溫管式爐的另一端形成連續(xù)的碳納米管氣凝膠，通過纏繞裝置收集碳納米管氣凝膠，同時(shí)用乙醇與水的混合液噴灑碳納米管氣凝膠得到碳納米管膜。收集I小時(shí)得到長25cm、寬20cm和厚20 μ m的碳納米管膜。其體密度為0.49g/cm3。
[0062]第二步，碳納米管膜的牽伸；
[0063]利用手術(shù)刀從上述得到的碳納米管膜上切取長12cm、寬2cm的碳納米管膜的長方形樣條。用Instron3344力學(xué)試驗(yàn)機(jī)夾持碳納米管膜樣條并進(jìn)行35%的牽伸,試驗(yàn)機(jī)夾頭兩端距離為IOcm,牽伸速率為0.2mm/min。
[0064]第三步，碳納米管膜的密實(shí)；
[0065]將牽伸后的 碳納米管膜夾在兩片厚度為1mm、邊長為15cm的正方形鋼模具中，在碳納米管膜與鋼模具之間均鋪一層厚度為30微米、邊長為15cm的聚四氟乙烯薄膜。將夾有碳納米管膜樣品的模具置于熱壓機(jī)中，在室溫下施加IMPa的壓力并保持10分鐘。此時(shí)的碳納米管膜的斷裂伸長率為15.6%。
[0066]第四步，碳納米管膜的二次牽伸；
[0067]將上述第三步密實(shí)后的碳納米管膜樣品，再次采用Instron3344力學(xué)試驗(yàn)機(jī)夾持碳納米管膜長條并進(jìn)行10%的牽伸，牽伸速率為0.2mm/min。
[0068]第五步，碳納米管膜的二次壓實(shí)；
[0069]將二次牽伸后的碳納米管膜夾在兩片厚度為1mm、邊長為15cm的正方形鋼模具中，在碳納米管膜與鋼片之間均鋪一層厚度為30微米、邊長為15cm的聚四氟乙烯薄膜。將夾有碳納米管膜樣品的模具置于熱壓機(jī)中，在室溫下施加1.5MPa的壓力并保持10分鐘。此時(shí)的碳納米管膜的斷裂伸長率為7.9%。
[0070]第六步，碳納米管膜的第三次牽伸；
[0071 ] 將上述第五步密實(shí)后的碳納米管膜樣品，再次采用Instron3344力學(xué)試驗(yàn)機(jī)夾持碳納米管膜長條并進(jìn)行5%的牽伸,牽伸速率為0.lmm/min。
[0072]第七步，碳納米管膜的第三次壓實(shí)；
[0073]將第三次牽伸后的碳納米管膜夾在兩片厚度為1mm、邊長為15cm的正方形鋼模具中，在碳納米管膜與鋼片之間均鋪一層厚度為30微米、邊長為15cm的聚四氟乙烯薄膜。將夾有碳納米管膜樣品的模具置于壓機(jī)中，在室溫下施加1.5MPa的壓力并保持10分鐘。經(jīng)過三次牽伸與壓實(shí)，Ie〃/I(；i增加至9.2,體密度增加至1.12g/cm3。如圖4所示,三次牽伸后的碳納米管膜的斷裂伸長率為3.8%，承受的最大拉伸應(yīng)力為652MPa。
[0074]實(shí)施例4
[0075]應(yīng)用本發(fā)明提供的制備方法，通過一次牽伸制備牽伸率40%、取向度表征參量(IG///IG)大于8的碳納米管膜，具體步驟如下:[0076]第一步，碳納米管膜的制備；
[0077]在惰性氣體的保護(hù)作用下，將乙醇、二茂鐵和噻吩的混合液以0.14ml/min的速度注入到1300°C的高溫管式爐中。惰性氣體為流量為4000SCCm。在高溫管式爐的另一端形成連續(xù)的碳納米管氣凝膠，通過纏繞裝置收集碳納米管氣凝膠，同時(shí)用乙醇與水的混合液噴灑碳納米管氣凝膠得到碳納米管膜。收集45分鐘得到長25cm、寬20cm和厚15 μ m的碳納米管膜。其體密度為0.49g/cm3。
[0078]第二步，碳納米管膜的牽伸；
[0079]利用手術(shù)刀從上述得到的碳納米管膜上切取長12cm、寬2cm的碳納米管膜的長方形樣條。用Instron3344力學(xué)試驗(yàn)機(jī)夾持碳納米管膜樣條并進(jìn)行40%的牽伸，試驗(yàn)機(jī)夾頭兩端距離為IOcm,牽伸速率為0.lmm/min。
[0080]第三步，碳納米管膜的密實(shí)；[0081]將牽伸后的碳納米管膜夾在兩片厚度為1mm、邊長為15cm的正方形鋼模具中，在碳納米管膜與鋼模具之間均鋪一層厚度為30微米、邊長為15cm的聚四氟乙烯薄膜。將夾有碳納米管膜樣品的模具置于熱壓機(jī)中，在室溫下施加0.5MPa的壓力并保持30分鐘。牽伸后碳納米管膜的斷裂伸長率為4.1%。利用極化拉曼光譜表征，平行與垂直于碳納米管膜牽伸方向G峰的比值I牽伸后可達(dá)8.1，取向度滿足要求。
[0082]實(shí)施例5
[0083]應(yīng)用本發(fā)明提供的制備方法，通過兩次牽伸制備牽伸率35%、取向度表征參量(IG///IG)大于7.5的碳納米管膜，具體步驟如下:
[0084]第一步，碳納米管膜的制備；
[0085]在惰性氣體的保護(hù)作用下，將乙醇、二茂鐵和噻吩的混合液以0.14ml/min的速度注入到1300°C的高溫管式爐中。惰性氣體為流量為4000SCCm。在高溫管式爐的另一端形成連續(xù)的碳納米管氣凝膠，通過纏繞裝置收集碳納米管氣凝膠，同時(shí)用乙醇與水的混合液噴灑碳納米管氣凝膠得到碳納米管膜。收集30分鐘得到長25cm、寬20cm和厚10 μ m的碳納米管膜。其體密度為0.47g/cm3。
[0086]第二步，碳納米管膜的牽伸；
[0087]利用手術(shù)刀從上述得到的碳納米管膜上切取長12cm、寬2cm的碳納米管膜的長方形樣條。用Instron3344力學(xué)試驗(yàn)機(jī)夾持碳納米管膜樣條并進(jìn)行20%的牽伸，試驗(yàn)機(jī)夾頭兩端距離為IOcm,牽伸速率為0.5mm/min。
[0088]第三步，將牽伸后的碳納米管膜夾在兩片厚度為1mm、邊長為15cm的正方形鋼模具中，在碳納米管膜與鋼模具之間均鋪一層厚度為30微米、邊長為15cm的聚四氟乙烯薄膜。將夾有碳納米管膜樣品的模具置于熱壓機(jī)中，在室溫下施加3MPa的壓力并保持20分鐘。此時(shí)的碳納米管膜的斷裂伸長率為19.1%。
[0089]第四步，碳納米管膜的二次牽伸；
[0090]將上述第三步密實(shí)后的碳納米管膜樣品，再次采用Instron3344力學(xué)試驗(yàn)機(jī)夾持碳納米管膜長條并進(jìn)行15%的牽伸，牽伸速率為0.2mm/min。
[0091]第五步，取向碳納米管膜的密實(shí)；
[0092]將牽伸后的碳納米管膜浸入丙酮溶劑中，浸潤30分鐘，將碳納米管膜取出，放于真空烘箱內(nèi)，加熱至80°C促進(jìn)溶劑揮發(fā)，由于液體表面張力作用，溶劑揮發(fā)同時(shí)，碳納米管膜逐漸密實(shí)。通過上述實(shí)施例制備得到的碳納米膜，具有高取向和高致密度，測試結(jié)果顯示，此時(shí)的碳納米管膜的斷裂伸長率為3.7%，致密度為0.85g/cm3，取向度為7.9，滿足需求。[0093] 通過上述方法制備得到的高取向高致密度碳納米管膜，經(jīng)過多次牽伸后，碳納米管膜的斷裂伸長率低于5%的情況下其拉伸強(qiáng)度高于420MPa，達(dá)到652MPa ;碳納米管膜的致 密度為0.68~1.12/cm3，取向度為5.5~9.2。
【權(quán)利要求】
1.一種高取向高致密化碳納米管膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步，制備碳納米管膜； 第二步，對碳納米管膜進(jìn)行牽伸，牽伸率為20%~40% ； 第三步，對牽伸后的碳納米管膜進(jìn)行加壓密實(shí)；所述的加壓密實(shí)方法采用物理密實(shí)方法或化學(xué)密實(shí)方法； 第四步，如果密實(shí)后碳納米管膜滿足性能要求，則結(jié)束；否則重復(fù)牽伸和密實(shí)I~3次，直至牽伸后碳納米管膜的斷裂伸長率不高于5%，或者滿足取向度的要求；每次牽伸的牽伸率小于上一次牽伸的牽伸率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高取向高致密化碳納米管膜的制備方法，其特征在于:二次牽伸的牽伸率為5%~15%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高取向高致密化碳納米管膜的制備方法，其特征在于:第一步中所述的碳納米管膜采用氣相沉積法進(jìn)行制備，碳納米管膜由幾十至幾百層0.1 μ m的薄膜單元構(gòu)成，所述薄膜單元內(nèi)碳納米管交叉堆積，呈無規(guī)狀態(tài)分布；氣相沉積法碳納米管膜的制備包括以下步驟:(I)在惰性氣體的保護(hù)作用下，將碳源乙醇、噻吩與催化劑二茂鐵混合體系注入高溫管式 爐中；(2)在高溫管式爐的另一端采用纏繞裝置收集形成的碳納米管氣凝膠，單層碳納米管氣凝膠薄膜厚度為0.1 μ m，采用揮發(fā)性溶液噴灑于碳納米管氣凝膠，揮發(fā)性溶液揮發(fā)后形成碳納米管膜，隨著纏繞碳納米管氣凝膠厚度變化，最終碳納米管膜厚度幾微米至幾百微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高取向高致密化碳納米管膜的制備方法，其特征在于:第二步中，牽伸所用碳納米管膜的長度與寬度比不低于3 ;牽伸速度0.1~0.5mm/min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高取向高致密化碳納米管膜的制備方法，其特征在于:所述物理密實(shí)方法包括以下步驟: Ca)在碳納米管膜與密實(shí)用平板模具中間放置一層隔離膜； (b)將碳納米管膜夾在兩個平整的平板模具中，該平板模具由剛性材料制備； (c)將放好碳納米管膜的平板模具置于加壓裝置中均勻加壓，壓力0.5~3.0MPa，加壓時(shí)間不低于10分鐘，卸掉壓力并將碳納米管膜從平板模具中取出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高取向高致密化碳納米管膜的制備方法，其特征在于:所述化學(xué)密實(shí)方法具體為:將牽伸后的碳納米管膜浸入丙酮、乙醇或苯溶劑中，浸潤10~30分鐘，將碳納米管膜取出，放于真空烘箱內(nèi)，加熱至50~80°C促進(jìn)溶劑揮發(fā)，溶劑揮發(fā)同時(shí)，碳納米管膜逐漸密實(shí)。
7.一種高取向高致密化碳納米管膜，其特征在于:采用權(quán)利要求1中所述的制備方法制備得到的碳納米膜，具有高取向和高致密度，取向度為5.5~9.2之間，致密度為0.68~`1.12g/cm3。
【文檔編號】C01B31/02GK103922311SQ201410147767
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】李敏, 王紹凱, 顧軼卓, 劉千立, 張佐光 申請人:北京航空航天大學(xué)