专利名称：一种大量制造均一长度碳纳米管的方法
技术领域：
本发明涉及一种大量制造均一长度碳纳米管的方法。
背景技术：
自1991年日本NEC公司的Iijima发现碳纳米管以来(Carbon Nanotube，CNT)，由于碳纳米管具有很多优异而独特的光学、电学及机械性质，呈现出非常广泛的应用前景。碳纳米管具有与金刚石相同的热导和独特的力学性能，如抗张强度达100Gpa，模量高达1TGPa，且耐强酸、强碱，600℃以下基本不氧化等，利用碳纳米管作为填充物与工程材料复合成为碳纳米管研究的一个重要方向。
以碳纳米管作为填充材料的复合材料往往需要大量的碳纳米管，为使填充后的复合材料具有均匀的力学或其他物理性质，还要求碳纳米管具有单一的性质如均匀的长度和直径。目前大量制造碳纳米管的工艺方法有很多种，包括化学气相沉积法、电弧放电等，但大多得到的碳纳米管比较杂乱，且长度不均匀。随着工艺的发展，人们发现通过改善化学气相沉积法，控制其反应时间可以得到比较均匀单一长度的碳纳米管。但是，该方法由于通过控制反应时间来控制长度，其精确度不高，同时，生长一次只能控制一种尺寸，其研究和应用受到限制。
因此，提供一种能够大量制造均一长度的碳纳米管的方法十分必要。
发明内容为解决现有技术的技术问题，本发明的目的是提供一种能够大量制造均一长度的碳纳米管的方法。
为实现本发明的目的，本发明提供一种大量制造均一长度碳纳米管的方法，其包括以下步骤提供一碳纳米管阵列；将碳纳米管阵列浸润于液相高分子体系；使液相高分子体系转化为固相，生成分布有碳纳米管的高分子复合材料；在碳纳米管阵列预定高度，沿垂直于碳纳米管阵列轴向切割该高分子复合材料，去除碳纳米管阵列顶端的高分子材料并使得碳纳米管尖端开口；按照预定厚度切割上述高分子复合材料，形成厚度均匀的高分子复合材料薄膜；去除高分子复合材料薄膜中的高分子材料，得到大量长度均一的碳纳米管。
与现有技术相比较，本发明大量制造均一长度碳纳米管的方法通过切割可以在一定范围内得到任意长度的碳纳米管，方法简单，且碳纳米管来自于化学气相沉积法生长得到的阵列，切割后碳纳米管两端开口，具有基本相同的直径和长度。
图1是本发明中形成有催化剂薄膜的基底的示意图。
图2是图1所示基底上生长有定向排列的碳纳米管阵列的示意图。
图3是图2所示的碳纳米管阵列连同基底在高分子溶液中浸泡的示意图。
图4是本发明中浸有高分子溶液的碳纳米管阵列的固化的示意图。
图5是本发明中含碳纳米管阵列的高分子复合材料薄膜的示意图。
图6是本发明得到的大量长度均一的碳纳米管的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
请参阅图1和图2，首先在一基底11上均匀形成一层催化剂薄膜12，该催化剂薄膜12的形成可利用热沉积、电子束沉积或溅射法来完成。基底11的材料可用玻璃、石英、硅或氧化铝。本实施例采用多孔硅，其表面有一层多孔层，孔的直径极小，一般小于3纳米。催化剂薄膜12的材料选用铁，也可选用其它材料，如氮化镓、钴、镍及其合金材料等。
然后，氧化催化剂薄膜12，形成催化剂颗粒(图未示)，再将分布有催化剂颗粒的基底11放入反应炉中(图未示)，在700～1000摄氏度下，通入碳源气，生长出碳纳米管阵列22，其中碳源气可为乙炔、乙烯等气体，碳纳米管阵列22的高度可通过控制生长时间来控制。有关碳纳米管阵列22生长的方法已较为成熟，具体可参阅文献Science，1999，vol.283，p.512-414和文献J.Am.Chem.Soc，2001，vol.123，p.11502-11503，此外美国专利第6,350,488号也公开了一种生长大面积碳纳米管阵列的方法。
请参阅图3，将熔融态高分子32装进一容器30中，将已生长好的定向排列的碳纳米管阵列22连同基底11一起浸到该熔融态高分子32中，直至熔融态高分子32完全浸润碳纳米管阵列22，熔融态高分子32完全浸润的时间同碳纳米管阵列22的高度、密度以及整个碳纳米管阵列22的面积相关。为使熔融态高分子32能完全浸润碳纳米管阵列22，该熔融态高分子32的粘度在200cPs以下。本发明熔融态高分子32还可用高分子溶液或聚合物单体溶液替代，本实施例采用的熔融态高分子32为熔融态石蜡材料。
请参阅图4和图5，将被熔融态高分子32完全浸润的碳纳米管阵列22连同基底11一起从容器30中取出，冷却使该熔融态高分子32固化，形成高分子材料34。然后在碳纳米管阵列22预定高度，用切片机(图未示)将该高分子材料34沿垂直于碳纳米管阵列22的轴向方向进行切割，形成高分子复合材料薄膜40，其中，在切割前还可进一步将固化后的高分子材料34从基底11上揭下再进行切割，形成高分子复合材料薄膜40。
另外，也可以先冷却固化该熔融态高分子32，再将固化后形成的高分子材料34连同基底11一起从容器30中取出，然后直接用切片机在碳纳米管阵列22的轴向方向切割该高分子材料34形成高分子复合材料薄膜40。
本发明用切片机切割高分子材料34形成高分子复合材料薄膜40的具体方法为首先根据碳纳米管阵列22的生长高度将分布有碳纳米管阵列22的高分子材料34沿垂直于碳纳米管阵列22的轴向方向进行切割，除去碳纳米管阵列22上方多余的高分子材料34，同时使碳纳米管的尖端开口；然后按照所需碳纳米管的长度沿同一方向进行切割，得到高分子复合材料薄膜40。该高分子复合材料薄膜40中的碳纳米管两端开口，且贯穿整个高分子复合材料薄膜40，具有分布均匀、垂直排列的特点。本发明高分子复合材料薄膜40的厚度可为1～1000微米，本实施例高分子复合材料薄膜40的厚度为20微米，由于使用切片机进行切割，高分子复合材料薄膜40的厚度可根据所需碳纳米管的长度由切片时直接控制，方法简单，且容易控制。
请参阅图6，去除高分子复合材料薄膜40中的高分子材料34，即可得到大量两端开口、长度均一的碳纳米管。本发明碳纳米管的长度可为1～1000微米。本发明去除高分子复合材料薄膜40中高分子材料34的方法与所使用的高分子材料有关，熔融态高分子材料可通过溶剂，或直接通过高温使其融化除去，高分子溶液与聚合物单体溶液可依据其材料的不同选用不同的溶剂除去，本实施例之石蜡材料可选用二甲苯溶剂除去，得到大量长度均一的碳纳米管。
权利要求
1.一种大量制造均一长度碳纳米管的方法，其包括以下步骤提供一碳纳米管阵列；将碳纳米管阵列浸润于液相高分子体系；使液相高分子体系转化为固相，生成分布有碳纳米管的高分子复合材料；在碳纳米管阵列预定高度，沿垂直于碳纳米管阵列轴向切割该高分子复合材料，去除碳纳米管阵列顶端的高分子材料并使得碳纳米管尖端开口；按照预定厚度切割上述高分子复合材料，形成厚度均匀的高分子复合材料薄膜；去除高分子复合材料薄膜中的高分子材料，得到大量长度均一的碳纳米管。
2.如权利要求1所述的大量制造均一长度碳纳米管的方法，其特征在于液相高分子体系粘度在200cPs以下。
3.如权利要求1所述的大量制造均一长度碳纳米管的方法，其特征在于该液相高分子体系包括熔融态高分子、高分子溶液和聚合物单体溶液。
4.如权利要求3所述的大量制造均一长度碳纳米管的方法，其特征在于该熔融态高分子包括熔融态石蜡材料。
5.如权利要求4所述的大量制造均一长度碳纳米管的方法，其特征在于采用二甲苯溶剂溶解去除石蜡材料。
6.如权利要求1所述的大量制造均一长度碳纳米管的方法，其特征在于该碳纳米管阵列生长在一基底上。
7.如权利要求6所述的大量制造均一长度碳纳米管的方法，其特征在于切割该高分子复合材料之前进一步包括先将该分布有碳纳米管的高分子复合材料从基底上揭下。
8.如权利要求1所述的大量制造均一长度碳纳米管的方法，其特征在于该碳纳米管均两端开口，长度为1～1000微米。
全文摘要
一种大量制造均一长度碳纳米管的方法，其包括以下步骤提供一碳纳米管阵列；将碳纳米管阵列浸润于液相高分子体系；使液相高分子体系转化为固相，生成分布有碳纳米管的高分子复合材料；在碳纳米管阵列预定高度，沿垂直于碳纳米管阵列轴向切割该高分子复合材料，去除碳纳米管阵列顶端的高分子材料并使得碳纳米管尖端开口；按照预定厚度切割上述高分子复合材料，形成厚度均匀的高分子复合材料薄膜；去除高分子复合材料薄膜中的高分子材料，得到大量长度均一的碳纳米管。
文档编号C01B31/02GK1696054SQ200410027249
公开日2005年11月16日 申请日期2004年5月13日 优先权日2004年5月13日
发明者黄华, 刘长洪, 范守善 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司