碳纳米管复合结构及其制备方法

专利名称：碳纳米管复合结构及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纳米管复合结构及其制备方法。
背景技术：
从1991年日本科学家饭岛澄男首次发现碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)以来， 以碳纳米管为代表的纳米材料以其独特的结构和性质引起了人们极大的关注。近几年来， 随着碳纳米管及纳米材料研究的不断深入，其广阔应用前景不断显现出来。例如，由于碳纳米管所具有的独特的电磁学、光学、力学、化学性能等，使其在场发射电子源、超薄平面显示器、阴极电极、生物传感器等领域具有广泛的应用前景。特别地，碳纳米管与其他材料例如金属、半导体或者聚合物等的复合可以实现材料的优势互补或加强。碳纳米管具有较大的长径比和中空的结构，具有优异的力学性能、电学性能、光学性能等，其在复合材料中，可以对复合材料起到增强作用，使得复合材料具有较好的化学和机械性能。碳纳米管复合材料的研究已经成为一个极为重要的领域。现有技术中，宏观的碳纳米管及其复合结构主要有碳纳米管线及其复合结构。然而，现有技术并没有揭示一种具有空心管状结构的碳纳米管复合结构及其制备方法。

发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种具有宏观尺寸且具有空心结构的碳纳米管复合结构及其制备方法。一种碳纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构是由多个碳纳米管及聚合物材料复合而成的一个管状复合结构，其中，该碳纳米管复合结构中的碳纳米管之间通过范德华力紧密相连并形成多个间隙，所述聚合物材料填充于所述碳纳米管之间的间隙或包覆于所述碳纳米管表面。—种碳纳米管复合结构，其特征在于，该碳纳米管复合结构是一个管状复合结构， 包括一管壁及由管壁围成的中空的轴心，该碳纳米管复合结构的管壁是由通过范德华力紧密结合的多个碳纳米管及一聚合物材料组成，其中，该碳纳米管复合结构中的碳纳米管之间形成多个间隙，所述聚合物材料填充于所述碳纳米管之间的间隙或包覆于所述碳纳米管表面。一种碳纳米管复合结构的制备方法，包括提供一线状支撑体，以及至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线；将所述至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线缠绕在所述线状支撑体表面；将一聚合物材料与所述缠绕于该线状支撑体表面的碳纳米管膜或碳纳米管线复合；以及移除所述线状支撑体，形成一碳纳米管复合结构。与现有技术相较，本发明的碳纳米管复合结构是由至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线与一聚合物材料构成的。该碳纳米管复合结构是一个空心的管状复合结构，具有质量轻、热容小，无粘性，强度高以及封闭性能良好等特性，能方便地应用于宏观的多个领域。所述碳纳米管复合结构的制作方法，通过将一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线直接缠绕于一线状支撑体结构表面，然后将一聚合物材料与缠绕于该线状支撑体表面的碳纳米管膜或或碳纳米管线复合，最后移除该线状支撑体制备而成，该方法简单、易行。


图1为本发明实施例碳纳米管复合结构采用的碳纳米管拉膜的SEM照片。
图2为从碳纳米管阵列拉取碳纳米管膜的示意图。
图3为本发明实施例碳纳米管复合结构采用的碳纳米管碾压膜的SEM照片。
图4为本发明实施例碳纳米管复合结构采用的碳纳米管絮化膜的SEM照片。
图5为本发明实施例碳纳米管复合结构制备方法的流程图。
图6为制备本发明实施例碳纳米管复合结构的制备装置的俯视剖面图。
图7为制备本发明实施例碳纳米管复合结构的制备装置的主视剖面图。
主要元件符号说明
基底10
碳纳米管阵列12
碳纳米管拉膜14
供给单元20
支撑座22
线轴24
导向轴28
包覆单元30
驱动机构32
第一电机322
第一带轮324
齿型带326
第二带轮328
空心旋转轴34
轴承342
支撑结构36
花盘38
收集单元40
第二电机42
碳纳米管结构收集器44
定位单元50
制备装置100
具体实施例方式下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。本发明提供一种碳纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构是由多个碳纳米管及聚合物材料复合而成的一个管状复合结构。其中，该碳纳米管复合结构中的碳纳米管之间通过范德华力紧密相连，相邻的碳纳米管之间形成多个间隙，所述聚合物材料填充于所述碳纳米管之间的间隙或包覆于所述碳纳米管表面。所述碳纳米管复合结构具有一中空的线状轴心，该碳纳米管复合结构是由至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线沿该碳纳米管复合结构的线状轴心紧密环绕形成一碳纳米管管状结构，再将该碳纳米管管状结构与一聚合物材料复合制备而成。该碳纳米管复合结构中的多个碳纳米管通过范德华力紧密相连。该碳纳米管复合结构中的多个碳纳米管环绕该线状轴心并与所述聚合物材料复合形成所述碳纳米管复合结构。所述碳纳米管复合结构包括一管壁及由管壁围成的中空的轴心，该碳纳米管复合结构的管壁是由通过范德华力紧密结合的多个碳纳米管及一聚合物材料组成。通过将至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线沿该碳纳米管复合结构的线状轴心紧密环绕，该至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线会沿该线状轴心形成一管壁，进而形成所述碳纳米管管状结构，再将该碳纳米管管状结构与一聚合物材料复合形成所述碳纳米管复合结构。可以理解，该碳纳米管复合结构的管壁具有一定的厚度，可以通过所环绕的碳纳米管膜或碳纳米管线的层数确定。该碳纳米管复合结构中线状轴心的截面形状可以为方形、梯形、圆形或椭圆形等形状，该线状轴心的截面大小，可以根据实际要求制备。此外，根据线状轴心的截面大小及形状可以制备出不同大小及形状的碳纳米管复合结构。所述聚合物材料填充于所述碳纳米管管状结构中碳纳米管之间的间隙或包覆于所述碳纳米管管状结构的表面。所述聚合物材料为一有机材料，如环氧树脂、丙烯酸树脂、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚酯、丙烯酸树脂、 硅树脂等树脂材料或导热胶材料及其混合物。所述碳纳米管膜由若干碳纳米管组成，该若干碳纳米管具有大致相等的长度，该若干碳纳米管无序或有序排列。所谓无序排列是指碳纳米管的排列方向无规则。所谓有序排列是指碳纳米管的排列方向有规则。具体地，当碳纳米管膜包括无序排列的碳纳米管时， 碳纳米管相互缠绕或者各向同性排列；当碳纳米管膜包括有序排列的碳纳米管时，碳纳米管沿一个方向或者多个方向择优取向排列。所谓“择优取向”是指所述碳纳米管膜中的大多数碳纳米管在一个方向或几个方向上具有较大的取向几率；即，该碳纳米管膜中的大多数碳纳米管的轴向基本沿同一方向或几个方向延伸。该碳纳米管膜可为碳纳米管拉膜、碳纳米管絮化膜或碳纳米管碾压膜等。请参见图1，所述碳纳米管拉膜是由若干碳纳米管组成的自支撑结构。所述若干碳纳米管沿同一方向择优取向排列。该碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管拉膜的表面。进一步地，所述碳纳米管拉膜中多数碳纳米管是通过范德华力首尾相连。具体地，所述碳纳米管拉膜中基本朝同一方向延伸的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。当然，所述碳纳米管拉膜中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。所述碳纳米管拉膜不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身膜状状态，即将该碳纳米管膜置于(或固定于)间隔设置的两个线状支撑体上时，位于两个线状支撑体之间的碳纳米管膜能够悬空保持自身膜状状态。所述碳纳米管拉膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管，并非绝对的直线状， 可以适当的弯曲；或者并非完全按照延伸方向排列，可以适当的偏离延伸方向。因此，不能排除碳纳米管拉膜的基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。具体地，所述碳纳米管拉膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段。该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段包括多个相互平行的碳纳米管，该多个相互平行的碳纳米管通过范德华力紧密结合。多个相互平行的碳纳米管中相邻的碳纳米管之间形成多个间隙。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均勻性及形状。该碳纳米管拉膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。请参见图2，所述碳纳米管拉膜可通过从碳纳米管阵列直接拉取获得。从碳纳米管阵列中拉取获得所述碳纳米管拉膜的具体方法包括(a)从所述碳纳米管阵列中选定一碳纳米管片段，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带或粘性基条接触该碳纳米管阵列以选定具有一定宽度的一碳纳米管片段；(b)通过移动该拉伸工具，以一定速度拉取该选定的碳纳米管片段，从而首尾相连的拉出多个碳纳米管片段，进而形成一连续的碳纳米管拉膜。该多个碳纳米管相互并排使该碳纳米管片段具有一定宽度。当该被选定的碳纳米管片段在拉力作用下沿拉取方向逐渐脱离碳纳米管阵列的生长基底的同时，由于范德华力作用，与该选定的碳纳米管片段相邻的其它碳纳米管片段首尾相连地相继地被拉出，从而形成一连续、均勻且具有一定宽度和择优取向的碳纳米管拉膜。所述碳纳米管拉膜及其制备方法请参见2007年2月9申请的，2010年5月26日公告的，公告号为CN101239712B的中国发明专利申请公开说明书。可以理解，通过将至少一碳纳米管拉膜沿该碳纳米管复合结构的线状轴心紧密环绕形成一碳纳米管管状结构，再将该碳纳米管管状结构与一聚合物材料复合形成所述具有空心管状结构的碳纳米管复合结构时，该碳纳米管复合结构中大多数碳纳米管通过范德华力首尾相连并在该碳纳米管复合结构线状轴心的延伸方向环绕该线状轴心螺旋状紧密排列，相邻的碳纳米管之间通过范德华力紧密相连并形成多个间隙。该碳纳米管复合结构中大多数碳纳米管基本沿线状轴心的延伸方向延伸。具体地，该碳纳米管复合结构中大多数碳纳米管均首尾相连地沿着线状轴心的长度方向螺旋状延伸。该碳纳米管复合结构中的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。该大多数碳纳米管中每一碳纳米管基本沿所述碳纳米管复合结构的线状轴心的延伸方向螺旋状紧密排列。该大多数碳纳米管中每一碳纳米管的延伸方向与所述碳纳米管复合结构的线状轴心的延伸方向形成一定的交叉角α，0° < α <90°。所述聚合物材料填充于碳纳米管之间的间隙或包覆于碳纳米管的表面。所述碳纳米管碾压膜包括均勻分布的碳纳米管，碳纳米管无序，沿同一方向或不同方向择优取向排列。请参见图3，优选地，所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管平行于该碳纳米管碾压膜的表面。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管相互交叠并形成多个间隙。所述碳纳米管碾压膜中碳纳米管之间通过范德华力相互吸引，紧密结合，使得该碳纳米管碾压膜具有很好的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。且由于碳纳米管碾压膜中的碳纳米管之间通过范德华力相互吸引，紧密结合，使碳纳米管碾压膜为一自支撑的结构，可无需基底支撑，自支撑存在。该碳纳米管碾压膜可通过碾压一碳纳米管阵列获得。该碳纳米管阵列形成在一基体表面，所制备的碳纳米管碾压膜中的碳纳米管与该碳纳米管阵列的基体的表面成一夹角β，其中，β大于等于0度且小于等于15度(0°彡β <15° )。优选地，所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管的轴向基本沿同一方向延伸并且平行于该碳纳米管碾压膜的表面。依据碾压的方式不同，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管具有不同的排列形式。该碳纳米管碾压膜的面积和厚度不限，可根据实际需要选择。该碳纳米管碾压膜的面积与碳纳米管阵列的尺寸基本相同。该碳纳米管碾压膜厚度与碳纳米管阵列的高度以及碾压的压力有关，可为1微米 100微米。所述碳纳米管碾压膜及其制备方法请参见2008年 12月3日公开的，公开号为CN101314464A的中国发明专利申请公开说明书。可以理解，通过将至少一碳纳米管碾压膜沿该碳纳米管复合结构的线状轴心紧密环绕形成一碳纳米管管状结构，再将该碳纳米管管状结构与一聚合物材料复合形成所述具有空心管状结构的碳纳米管复合结构时，该碳纳米管复合结构中多个碳纳米管在该碳纳米管复合结构的线状轴心紧密排列，且相邻的碳纳米管之间通过范德华力紧密排列并形成多个间隙。可以理解，该碳纳米管复合结构中多个碳纳米管的排列方向取决于所述碳纳米管碾压膜中碳纳米管的排列方向。优选地，当所述碳纳米管碾压膜中的大多数碳纳米管基本沿同一方向延伸并且平行于该碳纳米管碾压膜的表面时，将至少一碳纳米管碾压膜沿该碳纳米管复合结构的线状轴心紧密环绕形成一碳纳米管管状结构，再将该碳纳米管管状结构与一聚合物材料复合形成所述碳纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构中大多数碳纳米管在该碳纳米管复合结构表面紧密排列。该碳纳米管复合结构中大多数碳纳米管基本沿线状轴心的延伸方向延伸。具体地，该碳纳米管复合结构中大多数碳纳米管均首尾相连地沿着线状轴心的长度方向螺旋状延伸，该大多数碳纳米管中每一碳纳米管的延伸方向与所述碳纳米管复合结构的线状轴心的延伸方向形成一定的交叉角α，该交叉角α可以为任意角度，优选0° < α <90°。该碳纳米管复合结构中相邻的碳纳米管之间通过范德华力紧密相连。所述聚合物材料填充于碳纳米管之间的间隙或包覆于碳纳米管的表面。请参见图4，所述碳纳米管絮化膜包括相互缠绕的碳纳米管，该碳纳米管长度可大于10厘米。所述碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构。所述碳纳米管絮化膜各向同性。所述碳纳米管絮化膜中的碳纳米管为均勻分布，无规则排列，形成大量的微孔结构。可以理解，所述碳纳米管絮化膜的长度、宽度和厚度不限，可根据实际需要选择，厚度可为ι微米 100微米。所述碳纳米管絮化膜及其制备方法请参见2008年10 月15日公开的，公开号为CN101284662A的中国发明专利申请公开说明书。可以理解，通过将至少一碳纳米管絮化膜沿该碳纳米管复合结构的线状轴心紧密环绕形成一碳纳米管管状结构，再将碳纳米管管状结构与一聚合物材料复合形成所述具有空心管状结构的碳纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构中多个碳纳米管相互吸引、缠绕形成网格状结构，并在该碳纳米管复合结构的线状轴心紧密排列。该碳纳米管复合结构中多个碳纳米管通过范德华力首尾相连。该碳纳米管复合结构中相邻的碳纳米管之间通过范德华力紧密相连。所述聚合物材料填充于碳纳米管之间的微孔结构或包覆于碳纳米管的表所述碳纳米管线可为一非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。所述非扭转的碳纳米管线包括大多数沿该非扭转的碳纳米管线轴向方向排列的碳纳米管。非扭转的碳纳米管线可通过将一碳纳米管拉膜经过有机溶剂处理得到。该非扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0. 5纳米-1毫米。具体地，可将挥发性有机溶剂浸润所述碳纳米管拉膜的整个表面，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，碳纳米
8管拉膜中的相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合，从而使碳纳米管拉膜收缩为一非扭转的碳纳米管线。该碳纳米管线中相邻的碳纳米管之间形成多个间隙。该挥发性有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿。通过挥发性有机溶剂处理的非扭转碳纳米管线与未经挥发性有机溶剂处理的碳纳米管拉膜相比，比表面积减小，粘性降低。所述非扭转的碳纳米管线及其制备方法请参见范守善等人于2002年9月16日申请的，2008年8月20日公告的，公告号为CN100411979C的中国专利。可以理解，通过将至少一非扭转的碳纳米管线沿该碳纳米管复合结构的线状轴心紧密环绕形成一碳纳米管管状结构，再将该碳纳米管管状结构与一聚合物材料复合形成所述具有空心管状结构的碳纳米管复合结构时，该碳纳米管复合结构中大多数碳纳米管通过范德华力首尾相连并在该碳纳米管复合结构线状轴心的延伸方向环绕该线状轴心螺旋状紧密排列，相邻的碳纳米管之间通过范德华力紧密相连并形成多个间隙。该碳纳米管复合结构中大多数碳纳米管基本沿线状轴心的延伸方向延伸。具体地，该碳纳米管复合结构中大多数碳纳米管均首尾相连地沿着线状轴心的长度方向螺旋状延伸。该碳纳米管复合结构中的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。该大多数碳纳米管中每一碳纳米管基本沿所述碳纳米管复合结构的线状轴心螺旋状紧密排列。该大多数碳纳米管中每一碳纳米管的延伸方向与所述碳纳米管复合结构线状轴心的延伸方向形成一定的交叉角α，0° < α <90°。所述聚合物材料填充于碳纳米管之间的间隙或包覆于碳纳米管的表面。所述扭转的碳纳米管线包括大多数绕该扭转的碳纳米管线轴向螺旋排列的碳纳米管。该碳纳米管线可采用一机械力将所述碳纳米管拉膜两端沿相反方向扭转获得。进一步地，可采用一挥发性有机溶剂处理该扭转的碳纳米管线。在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，处理后的扭转的碳纳米管线中相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合，使扭转的碳纳米管线的比表面积减小，密度及强度增大。该扭转的碳纳米管线中相邻的碳纳米管之间形成多个间隙。所述扭转的碳纳米管线及其制备方法请参见范守善等人于2005年12月16日申请的，2009年6月17日公告的，公告号为CN100500556C的中国专利。可以理解，通过将至少一扭转的碳纳米管线沿该碳纳米管复合结构的线状轴心紧密环绕形成一碳纳米管管状结构，再将该碳纳米管管状结构与一聚合物材料复合形成所述具有空心管状结构的碳纳米管复合结构时，该碳纳米管复合结构中大多数碳纳米管通过范德华力首尾相连并在该碳纳米管复合结构的线状轴心的延伸方向环绕该线状轴心螺旋状紧密排列，相邻的碳纳米管之间通过范德华力紧密结合并形成多个间隙。所述聚合物材料填充于碳纳米管之间的间隙或包覆于碳纳米管的表面。本发明实施例提供一种碳纳米管复合结构。该碳纳米管复合结构是由多个碳纳米管及聚合物材料复合而成的一个管状复合结构。该碳纳米管复合结构具有一中空的线状轴心。该线状轴心整体是空的，是虚拟的。该碳纳米管复合结构中大多数碳纳米管通过范德华力首尾相连并在该碳纳米管复合结构线状轴心的延伸方向环绕该线状轴心螺旋状紧密排列，碳纳米管之间通过范德华力紧密相连。该碳纳米管复合结构中大多数碳纳米管基本沿线状轴心的延伸方向延伸。该碳纳米管复合结构中的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。所述基本沿线状轴心的延伸方向延伸是指碳纳米管复合结构中大多数碳纳米管均首尾相连地沿着线状轴心的长度方向螺旋状延伸，该大多数碳纳米管中每一碳纳米管的延伸方向与所述碳纳米管复合结构线状轴心的延伸方向形成一定的交叉角α，0° < α ^ 90°。所述碳纳米管复合结构是由碳纳米管膜沿该碳纳米管复合结构的线状轴心环绕形成一碳纳米管管状结构，再将所述碳纳米管管状结构与一聚合物复合制备而成的一个管状复合结构。可以理解，该碳纳米管复合结构内径和外径的大小可以根据实际需求制备，本实施例中，该碳纳米管复合结构的内径为25微米，外径为50微米。本实施例中的碳纳米管膜为一碳纳米管拉膜，该碳纳米管拉膜为从一碳纳米管阵列中直接拉取获得。通过从六个生长于基底的碳纳米管阵列中拉取获得六个碳纳米管拉膜，并直接将该六个碳纳米管拉膜沿所述碳纳米管复合结构的线状轴心螺旋环绕形成一碳纳米管管状结构，再将该碳纳米管管状结构与一聚合物材料复合，形成所述具有管状结构的碳纳米管复合结构。可以理解，由于碳纳米管拉膜是从一碳纳米管阵列中直接拉取获得， 其本身具有一定的粘性，当所述的碳纳米管拉膜沿该碳纳米管复合结构的线状轴心螺旋环绕在一起时，相互层叠的碳纳米管拉膜会通过范德华力的吸引而紧密地结合在一起。本实施例中选用硅橡胶与沿所述碳纳米管复合结构线状轴心螺旋环绕的碳纳米管拉膜复合。该硅橡胶填充于碳纳米管之间的间隙或包覆于所述碳纳米管的表面。请参阅图5，本发明实施例还提供一种所述碳纳米管复合结构的制备方法。该碳纳米管复合结构的制备方法主要包括以下几个步骤=(SlOl)提供一线状支撑体，和至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线；(S102)将所述至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线缠绕在所述线状支撑体表面；(Sl(XB)将一聚合物材料与所述缠绕于该线状支撑体表面的碳纳米管膜或碳纳米管线复合；(S104)移除所述线状支撑体，形成一碳纳米管复合结构。步骤S101，提供一线状支撑体，以及至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线。请参阅图6及图7，首先，提供一碳纳米管复合结构的制备装置100，该制备装置 100包括一供给单元20，一包覆单元30以及一收集单元40。所述供给单元20用于向包覆单元30供给一线状支撑体。该供给单元20包括一线轴Μ、一支撑座22以及一导向轴观。所述导向轴观一端固定于所述支撑座22，另一端悬空设置。所述线轴对套设于所述导向轴观，并可以围绕该导向轴观自由旋转。提供一线状支撑体，该线状支撑体缠绕于所述线轴Μ。所述包覆单元30用于提供所述碳纳米管膜或碳纳米管线，并将该碳纳米管膜或碳纳米管线缠绕于所述线状支撑体。该包覆单元30包括一驱动机构32，一通过该驱动机构32驱动的空心旋转轴34以及一固定于该空心旋转轴34 —端的花盘38。所述驱动机构 32包括一第一电机322，一设置于该第一电机322旋转轴的第一带轮324，一第二带轮3 以及一设置于所述第一带轮324以及所述第二带轮328间的齿型带326。所述空心旋转轴 34通过一轴承342设置于一支撑结构36，其中，所述空心旋转轴34的一端套设于第二带轮 328，另一端固定有所述花盘38。所述空心旋转轴34为一空心的管状结构，可以使所述线状支撑体从其空心的管状结构穿过并缠绕于所述收集单元40。所述花盘38可以采用三棱台、四棱台、五棱台等棱台。可以理解，根据所采用棱台的几何形状的不同，所述花盘38具有多个支撑面，该支撑面即为所述棱台的侧面，该多个支撑面朝向所述收集单元40。各个支撑面用于承载超顺排碳纳米管阵列。在本实施例中，所述花盘38采用具有六个支撑面的六棱台。所述收集单元40用于收集具有线状支撑体的碳纳米管结构。该收集单元40包括一第二电机42，以及一设置于该第二电机42旋转轴的碳纳米管结构收集器44。该碳纳米管结构收集器44在所述第二电机42的带动下可以旋转运动。所述供给单元20设置于第二带轮328 —侧，所述收集单元40设置于所述花盘38一侧。可以理解，通过控制所述第一电机322运转可以带动所述第一带轮324旋转，该第一带轮324的旋转可以通过所述齿型带326带动所述第二带轮328旋转。由于所述空心旋转轴34套设于所述第二带轮328，所以，所述空心旋转轴34在所述驱动机构32的驱动下可以绕其中心轴旋转。此外，由于所述花盘38固定于所述空心旋转轴34，所以，该花盘38也可以绕所述空心旋转轴34的中心轴旋转。该花盘38的旋转速度由第一电机322的运转速度来控制。其次，从所述供给单元20中的线轴24拉取获得一线状支撑体。所述线状支撑体主要起支撑碳纳米管膜或碳纳米管线的作用，其本身具有一定的稳定性及机械强度，但可以通过化学方法、物理方法或机械方法移除。该线状支撑体的材料可以选用金属材料、合金材料及塑料等材料，其中，所述金属材料由单一的金属元素组成。可以理解，该线状支撑体可以选用不同的直径。本实施例中选用直径为25微米的铝线作为该线状支撑体。从所述供给单元20中拉取一线状支撑体后，将所述线状支撑体穿过所述空心旋转轴34的中心轴并缠绕到碳纳米管结构收集器44。可以理解，将所述线状支撑体穿过所述空心旋转轴34的中心轴并缠绕到碳纳米管结构收集器44后，可以通过所述第二电机42带动所述碳纳米管结构收集器44旋转，使所述线状支撑体沿所述空心旋转轴34的中心轴延伸方向延伸并缠绕于所述碳纳米管结构收集器44。进一步地，可以通过一定位单元50来调整线状支撑体与其他单元的位置关系，使所述线状支撑体始终位于所述空心旋转轴34的中心轴及其延长线上做直线运动。具体地， 可以在所述线轴24与所述第二带轮328之间以及在所述花盘38与所述碳纳米管结构收集器44之间分别设置一定位单元50，该定位单元50包括一定位孔，可以使线状支撑体从所述定位单元50的定位孔穿过，并使所述线状支撑体始终保持在所述空心旋转轴34的中心轴及其延长线上。该步骤为可选步骤。最后，提供至少一碳纳米管阵列，从所述至少一碳纳米管阵列中制备出至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线，本实施例为从碳纳米管阵列中拉出一碳纳米管拉膜，具体包括以下步骤请参见图2，提供至少一碳纳米管阵列12。所述碳纳米管阵列12形成于一基底 10。本实施例中，提供六个形成于基底10的碳纳米管阵列12。所述碳纳米管阵列12由多个碳纳米管组成，该碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。本实施例中，该多个碳纳米管为多壁碳纳米管，且该多个碳纳米管基本上相互平行且垂直于所述基底10，该碳纳米管阵列不含杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。所述碳纳米管阵列12的制备方法不限，可参见中国大陆专利申请公开第02134760. 3号。优选地，该碳纳米管阵列12为超顺排碳纳米管阵列。将所述的至少一碳纳米管阵列12设置于所述花盘38的支撑面上。该至少一碳纳
11米管阵列12就可以随所述花盘38绕空心旋转轴34的中心轴旋转。具体地，可以通过一粘合剂或一固定装置将所述形成有碳纳米管阵列12的基底10固定于所述花盘38的一个支撑面上。本实施例中，将六个形成有碳纳米管阵列12的基底10通过固定装置分别固定于所述花盘38的六个支撑面。将所述的至少一碳纳米管阵列12设置于所述花盘38的支撑面后，进一步包括从所述的至少一碳纳米管阵列20中拉取多个碳纳米管，获得一个碳纳米管拉膜14，并将该碳纳米管拉膜14的一端固定于所述线状支撑体表面。本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带、镊子或夹子接触碳纳米管阵列12以选定一具有一定宽度的多个碳纳米管；以一定速度拉伸该选定的碳纳米管，该拉取方向沿基本垂直于碳纳米管阵列的生长方向。从而形成首尾相连的多个碳纳米管片段，进而形成一连续的碳纳米管拉膜14 ；并将该至少一碳纳米管拉膜14的一端固定于所述花盘38与所述碳纳米管结构收集器44之间的线状支撑体表面。在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片段分别与其他碳纳米管片段首尾相连地连续地被拉出，从而形成一连续、均勻且具有一定宽度的碳纳米管拉膜14。该碳纳米管拉膜 14的宽度与碳纳米管阵列所生长的基底的尺寸有关，该碳纳米管拉膜14的长度不限，可根据实际需求制得。当该碳纳米管阵列的面积为4英寸时，该碳纳米管拉膜14的宽度为0. 5 纳米 10厘米，该碳纳米管拉膜14的厚度为0. 5纳米 100微米。可以理解，当该碳纳米管拉膜14的宽度很窄的情况下，可以形成所述碳纳米管线。步骤S102，将所述至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线缠绕在所述线状支撑体表面。通过控制所述第一电机322运转带动所述空心旋转轴34、花盘38以及碳纳米管阵列12沿所述空心旋转轴34的中心轴以一定的转速旋转，并同时通过控制所述第二电机42 运转带动所述碳纳米管结构收集器44旋转，使所述线状支撑体沿所述空心旋转轴34的中心轴的延伸方向做直线运动并缠绕于所述碳纳米管结构收集器44。所述碳纳米管拉膜14 就可以从所述碳纳米管阵列12中连续地拉出，并均勻地缠绕于所述线状支撑体的表面。具体地，当控制所述第一电机322运转带动所述第一带轮324及第二带轮328旋转，可以进一步带动所述空心旋转轴34、花盘38以及碳纳米管阵列12沿所述空心旋转轴 34的中心轴以一定的转速旋转。由于从所述碳纳米管阵列12拉出的所述碳纳米管拉膜14 的一端被固定于所述支撑体表面，因此，所述支撑体对所述碳纳米管拉膜14会产生一个沿该碳纳米管拉膜14延伸方向的拉力，从而使得碳纳米管拉膜14连续地被拉出。另外，由于所述花盘38带动所述碳纳米管阵列旋转，使得该碳纳米管拉膜14在连续被拉出的同时旋转缠绕于所述支撑体表面。当以一定转速旋转所述碳纳米管阵列12并以一定速率牵引所述支撑体使其做勻速直线运动时，可以使所述碳纳米管拉膜14从所述碳纳米管阵列12中拉出并均勻地缠绕于所述支撑体表面。进一步地，当所述碳纳米管拉膜14从所述碳纳米管阵列12中拉出并均勻地缠绕于所述支撑体表面后，由于所述第二电机42运转带动所述碳纳米管结构收集器44旋转，可以使所述缠绕有碳纳米管拉膜14的支撑体缠绕于所述碳纳米管结构收集器44，并通过所述碳纳米管结构收集器44收集。可以理解，可以通过所述第一电机322控制所述空心旋转轴34及所述碳纳米管阵列12的转速，并同时通过所述第二电机42控制所述线状支撑体的做勻速直线运动的速率来控制缠绕于该线状支撑体表面的碳纳米管复合结构的厚度。此外，由于碳纳米管拉膜14 本身具有一定的粘性，当碳纳米管拉膜14缠绕于所述线状支撑体表面时，相互层叠的碳纳米管拉膜14会通过范德华力的吸引而紧密地结合在一起。可以理解，将所述缠绕有碳纳米管拉膜14的线状支撑体通过所述碳纳米管结构收集器44收集后，可以进一步包括将所述缠绕有碳纳米管拉膜14的线状支撑体缠绕于所述线轴24表面，重复上述步骤并通过控制所述第一电机322的转动方向使所述空心旋转轴 34以及花盘38沿另一方向旋转，使另一碳纳米管拉膜14沿反方向旋转缠绕于所述线状支撑体的碳纳米管拉膜14的表面。可以理解，通过将碳纳米管拉膜14沿不同方向旋转层叠缠绕于所述线状支撑体表面，可以获得交叉的碳纳米管拉膜14缠绕于所述线状支撑体的表面。可以理解，该步骤为可选步骤。将所述缠绕有碳纳米管拉膜14的线状支撑体通过所述碳纳米管结构收集器44收集后，可进一步包括使用一有机溶剂处理该缠绕于所述线状支撑体的碳纳米管拉膜14， 从而使碳纳米管拉膜14之间紧密结合并降低碳纳米管拉膜14表面的粘性。该有机溶剂与该碳纳米管具有较好的湿润性。该有机溶剂为常温下易挥发的有机溶剂，可选用乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中一种或者几种的混合。本实施例中的有机溶剂采用乙醇。该使用有机溶剂处理的步骤具体为将有机溶剂均勻滴洒在碳纳米管拉膜14的表面上并浸润整个碳纳米管拉膜14，或者，也可将上述缠绕有碳纳米管拉膜14的线状支撑体浸入盛有有机溶剂的容器中浸润。步骤S103，将一聚合物材料与所述缠绕于该线状支撑体表面的碳纳米管膜或碳纳米管线复合。将所述表面缠绕有碳纳米管拉膜14的线状支撑体浸入一聚合物材料的溶液或熔融液中，或将聚合物材料的溶液或熔融液喷洒或涂抹于所述含有线状支撑体的碳纳米管拉膜14，使所述碳纳米管拉膜14中的碳纳米管与所述聚合物材料复合。所述聚合物材料为一有机材料，如环氧树脂、丙烯酸树脂、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚酯、丙烯酸树脂、硅树脂等树脂材料或导热胶材料及其混合物，本实施例以硅橡胶为例。具体方法包括在硅橡胶中加入适量乙醚稀释，形成一硅橡胶溶液，并在硅橡胶溶液中加入少量固化剂，控制硅橡胶溶液的固化时间多于两个小时。固化剂包括环氧树脂固化剂、碱性类固化剂及酸性类固化剂等。最后，将所述表面缠绕有碳纳米管拉膜14的线状支撑体浸入硅橡胶溶液，使碳纳米管与硅橡胶复合。步骤S104，移除所述线状支撑体，形成一碳纳米管复合结构。使用化学方法或机械方法将所述的线状支撑体移除。当采用活泼的金属材料及其合金作该线状支撑体时，如铁或铝及其合金，可以使用一酸性溶液与该活泼的金属材料反应，并将该线状支撑体移除；当采用高分子材料作线状支撑体时，可以使用一拉伸装置沿所述线状支撑体的中心轴方向拉出所述线状支撑体。本实施例采用浓度为0. 5mol/L的盐酸溶液腐蚀缠绕有碳纳米管拉膜14的铝线，将该铝线移除。可以理解，根据线状支撑体直径的不同可以得到不同内径的碳纳米管复合结构。另外，本发明实施例的碳纳米管复合结构也不限于使用上述装置来制备，也可以通过将多个碳纳米管膜或碳纳米管线分别依次缠绕于一线状支撑体表面；或者通过将多个碳纳米管膜层叠，然后直接缠绕于一线状支撑体，然后将所述缠绕于线状支撑体表面的碳纳米管膜或碳纳米管线与一聚合物复合，最后将该线状支撑体移除制备得到。此外，所述碳纳米管复合结构的制备方法也可以通过提供一线状支撑体，该线状支撑体在一控制装置的控制下既能够绕其中心轴旋转又能够沿其中心轴延伸方向做直线运动；提供至少一碳纳米管阵列，将所述碳纳米管阵列固定并从所述碳纳米管阵列中拉取获得至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线，并将所述碳纳米管膜或碳纳米管线的一端固定于所述线状支撑体； 使该线状支撑体绕其中心轴旋转的同时沿其中心轴延伸方向做直线运动，即可得到一表面缠绕有碳纳米管膜或碳纳米管线的线状支撑体；然后将表面缠绕有碳纳米管膜或碳纳米管线的线状支撑体浸入一聚合物材料的溶液或熔融液中，或将聚合物材料的溶液或熔融液喷洒或涂抹于所述含有线状支撑体的碳纳米管膜或碳纳米管线，最后，使用化学方法机械方法将所述的线状支撑体移除，得到一具有管状结构的碳纳米管复合结构。该碳纳米管膜可以是碳纳米管拉膜、碳纳米管碾压膜或碳纳米管絮化膜，该碳纳米管线可以是非扭转或扭转的碳纳米管线。可以理解，根据膜和线的种类的不同，可以获得不同排列结构的碳纳米管复合结构；此外，该碳纳米管复合结构的厚度也可以通过控制碳纳米管膜或碳纳米管线的层数以及聚合物材料的厚度来控制。本发明实施例所提供的碳纳米管复合结构及其制备方法具有以下优点。本发明碳纳米管复合结构是一个空心的管状复合结构，该碳纳米管复合结构具有质量轻、热容小，强度高以及耐弯折等特性，能方便地应用于多个宏观领域。该碳纳米管复合结构中相邻的碳纳米管之间通过聚合物材料的相互作用而紧密结合在一起，因此该碳纳米管复合结构具有良好的拉伸强度及抗张模量。此外，本发明实施例碳纳米管复合结构是由至少一碳纳米管拉膜沿该碳纳米管复合结构的线状轴心环绕形成一碳纳米管管状结构， 再将所述碳纳米管管状结构与一聚合物复合制备而成。由于该碳纳米管拉膜是从一碳纳米管阵列中直接拉取获得，其本身具有一定的粘性，经过螺旋状缠绕排列，相互层叠的碳纳米管拉膜之间会通过范德华力相互吸引，从而形成一个稳定结构。最后，该碳纳米管复合结构中的碳纳米管拉膜通过固化的聚合物材料固定形成一稳定的复合结构，使碳纳米管不易脱落，最后形成一稳定的、密封性良好的碳纳米管复合结构。本发明碳纳米管复合结构的制备方法是通过将至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线直接缠绕于一线状支撑体结构表面，然后将一聚合物材料与所述缠绕于该线状线状支撑体表面的碳纳米管膜或碳纳米管线复合，最后移除该线状支撑体，得到一碳纳米管复合结构。该方法可用于简单、快速地制备宏观的具有管状结构的碳纳米管复合结构。另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
权利要求
1.一种碳纳米管复合结构，其特征在于，该碳纳米管复合结构是由多个碳纳米管及聚合物材料复合而成的一个管状复合结构，其中，该碳纳米管复合结构中的碳纳米管之间通过范德华力紧密相连并形成多个间隙，所述聚合物材料填充于所述碳纳米管之间的间隙或包覆于所述碳纳米管表面。
2.如权利要求1所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，该碳纳米管复合结构具有一中空的线状轴心，所述多个碳纳米管通过范德华力紧密相连并环绕该线状轴心组成管状复合结构。
3.如权利要求2所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述多个碳纳米管首尾相连并在所述线状轴心的延伸方向环绕该线状轴心螺旋排列。
4.如权利要求3所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，该碳纳米管复合结构中环绕该线状轴心的大多数碳纳米管基本沿线状轴心的延伸方向螺旋状延伸。
5.如权利要求4所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，该碳纳米管复合结构中的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。
6.如权利要求4所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，该大多数碳纳米管中每一碳纳米管的延伸方向与所述碳纳米管复合结构的线状轴心的延伸方向形成一定的交叉角α， 0° < α < 90°。
7.如权利要求2所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，该碳纳米管复合结构是由至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线环绕所述线状轴心形成一碳纳米管管状结构，再将所述碳纳米管管状结构与一聚合物材料复合制备而成。
8.如权利要求7所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线螺旋地环绕该线状轴心并与所述聚合物材料复合形成所述管状复合结构。
9.如权利要求2所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述中空的线状轴心的截面形状为方形、梯形、圆形或椭圆形。
10.如权利要求1所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，该聚合物材料选自环氧树脂、丙烯酸树脂、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚酯、丙烯酸树脂、硅树脂及导热胶材料。
11.一种碳纳米管复合结构，其特征在于，该碳纳米管复合结构是一个管状复合结构， 包括一管壁及由管壁围成的中空的轴心，该碳纳米管复合结构的管壁是由通过范德华力紧密结合的多个碳纳米管及一聚合物材料组成，其中，该碳纳米管复合结构中的碳纳米管之间形成多个间隙，所述聚合物材料填充于所述碳纳米管之间的间隙或包覆于所述碳纳米管表面。
12.—种碳纳米管复合结构的制备方法，包括提供一线状支撑体，以及至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线；将所述至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线缠绕在所述线状支撑体表面；将一聚合物材料与所述缠绕于该线状支撑体表面的碳纳米管膜或碳纳米管线复合；以及移除所述线状支撑体，形成一碳纳米管复合结构。
13.如权利要求12所述的碳纳米管复合结构的制备方法，其特征在于，所述线状支撑体的材料选自金属、合金及塑料。
14.如权利要求12所述的碳纳米管复合结构的制备方法，其特征在于，该碳纳米管膜或碳纳米管线是从碳纳米管阵列中直接拉取获得。
15.如权利要求12所述的碳纳米管复合结构的制备方法，其特征在于，在所述提供一线状支撑体，以及至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线的步骤中，提供一制备装置，该制备装置包括一供给单元、一包覆单元以及一收集单元，所述包覆单元包括一驱动机构，一通过该驱动机构驱动的具有空心管状结构的空心旋转轴以及一固定于该空心旋转轴一端并具有多个支撑面的花盘，其中，该供给单元用于向所述包覆单元提供所述线状支撑体，所述包覆单元用于提供所述碳纳米管膜或碳纳米管线，并将该碳纳米管膜或碳纳米管线固定于所述线状支撑体，所述收集单元用于收集具有线状支撑体的碳纳米管结构。
16.如权利要求15所述的碳纳米管复合结构的制备方法，其特征在于，由所述供给单元提供一线状支撑体，使该线状支撑体穿过所述空心旋转轴的空心管状结构并缠绕于所述收集单元；以及将至少一碳纳米管阵列设置于所述花盘的支撑面，从所述碳纳米管阵列中拉取获得至少一所述碳纳米管膜或至少一碳纳米管线，并将该碳纳米管膜或碳纳米管线的一端固定于该线状支撑体。
17.如权利要求16所述的碳纳米管复合结构的制备方法，其特征在于，所述将所述至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线缠绕在所述线状支撑体表面的步骤中，控制所述驱动机构驱动所述花盘沿其该空心旋转轴的中心轴以一定转速旋转，同时控制所述收集单元使所述线状支撑体沿所述空心旋转轴的中心轴方向做直线运动，从所述至少一碳纳米管阵列拉伸出所述碳纳米管膜或碳纳米管线，并将该碳纳米管膜或碳纳米管线缠绕于所述线状支撑体。
18.如权利要求12所述的碳纳米管复合结构的制备方法，其特征在于，将所述至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线缠绕在所述线状支撑体表面后，进一步包括使用有机溶剂处理该缠绕于线状支撑体表面的碳纳米管膜或碳纳米管线，使碳纳米管膜或碳纳米管线中的碳纳米管之间紧密结合。
19.如权利要求18所述的碳纳米管复合结构的制备方法，其特征在于，该有机溶剂选自乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷及氯仿。
20.如权利要求12所述的碳纳米管复合结构的制备方法，其特征在于，将一聚合物材料与所述缠绕于该线状支撑体表面的碳纳米管膜或碳纳米管线复合的方法为将所述表面缠绕有碳纳米管膜或碳纳米管线的线状支撑体浸入一聚合物材料的溶液或熔融液中，或将聚合物材料的溶液或熔融液喷洒或涂抹于所述含有线状支撑体的碳纳米管膜或碳纳米管线，使所述碳纳米管膜或碳纳米管线中的碳纳米管与所述聚合物材料复合。
全文摘要
本发明涉及一种碳纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构是由多个碳纳米管及聚合物材料复合而成的一个管状复合结构，其中，该碳纳米管复合结构中的碳纳米管之间通过范德华力紧密相连并形成多个间隙，所述聚合物材料填充于所述碳纳米管之间的间隙或包覆于所述碳纳米管表面。本发明碳纳米管复合结构为一柔性的空心管，具有良好的机械性能和韧性，能方便地应用于宏观的多个领域。本发明还涉及一种碳纳米管复合结构的制备方法。
文档编号C01B31/00GK102372266SQ201010259930
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月23日 优先权日2010年8月23日
发明者范守善, 魏洋 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司