专利名称：一种以组合法制备透明导电碳纳米管薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米材料技术领域的制备方法，具体是一种以组合法制备透明导电碳纳米管薄膜的方法。
背景技术：
碳纳米管具有独特的纳米结构，使其具有特异的电学性能，力学性能，光学性能以及磁学性能等，为其在众多领域的应用提供了广阔前景。
利用碳纳米管良好的导电性制备具有高透明性和导电性的碳纳米管薄膜材料，在显示技术、太阳能电池、电子器件以及光学器件等方面有着广阔的应用前景，特别是有可能做为替代铟锡氧化物薄膜ITO的首选材料。
现有碳纳米管薄膜的制备方法主要有干法和湿法。干法有化学气相沉积法。湿法主要是先把CNT分散在溶液中，再借助于各种成膜技术获得表面平整的CNT薄膜，如旋涂法，电泳沉积法，过滤法，电弧放电法等，液浇铸法，层-层吸附自组装法，电泳沉积法，电化学沉积法，自组装成膜法，浸渍涂布法，改性表面吸附法，过滤-转移法和LB技术等。所用的CNTs均为化学修饰的官能化的碳纳米管，其外侧壁上常常带有游离的羟基、羧基等活性基团，当作为电化学器件使用时，在电流的催化下，这些存在于CNTs表面上的游离活性基团易发生不可逆的氧化限制了其使用范围。另外这些方法在制备过程需要高温作用、表面活性剂、催化剂，设备昂贵，制备过程复杂。发明内容
本发明在现有技术的基础上，提供一种以组合法制备透明导电碳纳米管薄膜的方法。具体是采用石英玻片作为基体，纯化后的碳纳米管和无水乙醇分别作为原料和分散剂， 将两者混合得到分散均勻的溶液，采用压缩式喷雾器将其喷涂到干燥洁净的石英基体上， 得到第一层含有溶剂的碳纳米管薄膜；然后将其放置到高速旋转的涂膜机的吸盘上进行旋涂定型，如此反复操作，该过程中分散剂自然挥发，或通过加热使分散剂挥发，即可得到均勻的平均厚度为50-400nm的透明导电碳纳米管薄膜，电阻率为100-700 Ω/sq，透光率达到 80-89%ο
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用石英玻片作为基体，纯化后的碳纳米管和无水乙醇分别作为原料和分散剂，利用压缩式喷雾器将碳纳米管和无水乙醇形成的高度分散的碳纳米管溶液均勻地喷涂在基体上，接着将得到的薄膜基体放置到旋转涂膜机的吸盘上进行旋涂定型，伴随着有机溶剂挥发，直接形成碳纳米管薄膜。其中无水乙醇作为有机溶剂，能与碳纳米管容易形成高分散的溶液，在室温或加热条件下溶剂容易挥发。此外，在制备过程不需要使用粘结剂和催化剂、不需要高温作用，设备简易，制备过程简单，易于连续化操作。本发明所用的原料简单易得，成本低廉，能耗低。制备工艺简洁，得到均勻透明导电的碳纳米管薄膜，具有广泛的应用前景。
本发明主要包括以下步骤(1)将0.1-10 mg直径为2-30 nm，层数为1-30层的碳纳米管，加到50-300 mL无水乙醇中，利用超声波分散M-48 h，得到分散均勻的溶液；(2)采用压缩式喷雾器将碳纳米管溶液喷涂到干燥洁净的石英基体表面上，得到第一层含有溶剂的碳纳米管薄膜。具体包括以下步骤(a)将步骤(1)得到的碳纳米管溶液倒入压缩式压缩式喷雾器中；(b)在室温下，保持压缩式喷雾器的喷嘴距离石英基体表面为 5-30cm,将其喷涂到干燥洁净的石英基体表面上，其中，石英基体可以水平放置、竖直放置或与水平面形成夹角α (0° > α> 90° )放置；(3)对步骤( 得到的碳纳米管薄膜进行旋涂。具体包括以下步骤(a)将步骤(2)得到的薄膜基体放置到旋转涂膜机的吸盘上，进行旋涂定型，旋转速度为2000-5000转/分， 时间为5-120 s; (b)将旋涂后的样品置于室内使溶剂自然挥发，或者置于真空干燥箱内干燥，温度设为30-100°C，干燥时间为10-60 min，得到第一层碳纳米管薄膜；(4)对步骤C3)得到的薄膜进行喷涂和旋涂。具体包括以下步骤(a)将压缩式喷雾器中的碳纳米管溶液进行超声处理；(b)对步骤( 得到的第一层碳纳米管薄膜再进行喷涂，旋涂(方法与步骤⑵和步骤⑶相同)，如此往复操作50-500次，即可获得平均厚度为 50-400 nm的均勻的透明导电碳纳米管薄膜。
本发明具有如下有益效果本发明采用本课题组自制的碳纳米管作为原料，无水乙醇作为分散剂，成本低廉，对环境无污染；产物易于处理，收率高，设备简单，工艺简洁，能耗低，容易得到碳纳米管薄膜，并可根据需要，对得到的碳纳米管薄膜平均厚度可在50-400 nm之间任意调节。
具体实施方式
本实施例是在发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程， 但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1将0. 1 mg直径为2-5 nm，层数为1层的碳纳米管加到200 mL无水乙醇中，超声分散48 h，得到分散均勻的溶液A。将溶液A倒入压缩式喷雾器中，在室温下，保持压缩式喷雾器的喷嘴距离石英基体表面为30 cm,将溶液A喷涂到干燥洁净的水平放置的石英基体表面上，得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体B ；将B放置到旋转涂膜机的吸盘上进行定型，第一阶段旋转速度为2000转/分，旋转时间为10 s ；得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体C ；将C置于干净的表面皿内，放入真空干燥箱，干燥温度设为30°C，保温30 min,得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体D，再对D表面进行喷涂(压缩式喷雾器中的碳纳米管溶液每隔 60 min进行超声处理10 min)，旋涂定型，干燥，如此往复操作50次，即可获得平均厚度为 50-100 nm的均勻的透明导电碳纳米管薄膜，电阻700 Ω/sq，透光率达到89%。
实施例2将0.5 mg直径为5-10 nm，层数为2-5层的碳纳米管加到200 mL无水乙醇中，超声分散48 h，得到分散均勻的溶液A。将溶液A倒入压缩式喷雾器中，在室温下，保持压缩式压缩式喷雾器的喷嘴距离石英基体表面的距离为25 cm，将溶液A喷涂到干燥洁净的竖直放置的石英基体表面上，得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体B ；将B放置到旋转涂膜机的吸盘上进行定型，旋转速度为2500转/分，旋转时间为20 s ；得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体 C ；将C置于干净的表面皿内，放入真空干燥箱，干燥温度设为30°C，保温1 h，得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体D，再对D表面进行喷涂(压缩式喷雾器中的碳纳米管溶液每隔50 min 进行超声处理10 min)，旋涂定型，干燥，如此往复操作100次，即可获得平均厚度为55-150 nm的均勻的透明导电碳纳米管薄膜，电阻600 Ω/sq，透光率达到88%。
实施例3将1 mg直径为5-10 nm，层数为2-5层的碳纳米管，加到无水乙醇200 mL中，超声分散 24 h，得到分散均勻的溶液A。将溶液A倒入压缩式喷雾器中，在室温下，保持压缩式压缩式喷雾器的喷嘴距离石英基体表面为20 cm,将溶液A喷涂到干燥洁净的石英基体表面上(与水平面形成45°的夹角)，得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体B ；将B放置到旋转涂膜机的吸盘上进行定型，旋转速度为3000转/分，旋转时间为30 s ；得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体C ；将C置于干净的表面皿内，放入真空干燥箱，干燥温度设为50°C，保温30 min,得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体D，再对D表面进行喷涂(压缩式喷雾器中的碳纳米管溶液每隔40 min进行超声处理10 min)，旋涂定型，如此往复操作150次，即可获得平均厚度为 60-200 nm的均勻的透明导电碳纳米管薄膜，电阻500 Ω/Sq，透光率达到87%。
实施例4将2 mg直径为10-30 nm，层数为8-30层的碳纳米管，加到200 mL无水乙醇中，超声分散对h，得到分散均勻的溶液A。将溶液A倒入压缩式喷雾器中，在室温下，保持压缩式压缩式喷雾器的喷嘴距离石英基体表面为15 cm，将溶液A喷涂到干燥洁净的水平放置的石英基体表面上，得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体B ；将B放置到旋转涂膜机的吸盘(旋转盘的加热温度为20°C)上进行定型，旋转速度为3500转/分，旋转时间为50 s ；得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体C ；再对C表面进行喷涂(压缩式喷雾器中的碳纳米管溶液每隔60 min进行超声处理10 min)，旋涂定型，如此往复操作200次，即可获得平均厚度为70-250 nm的均勻的透明导电碳纳米管薄膜，电阻400 Ω/sq，透光率达到85%。
实施例5将3 mg直径为10-30 nm，层数为8-30层的碳纳米管，加到200 mL无水乙醇，超声分散 24 h，得到分散均勻的溶液A。将溶液A倒入压缩式喷雾器中，在室温下，保持压缩式压缩式喷雾器的喷嘴距离石英基体表面为10cm，将溶液A喷涂到干燥洁净的垂直放置的石英基体表面上，得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体B ；将B放置到旋转涂膜机的吸盘(旋转盘的加热温度为30°C)上进行定型，旋转速度为4000转/分，旋转时间为60 s ；得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体C;再对C表面进行喷涂(压缩式喷雾器中的碳纳米管溶液每隔50 min进行超声处理10 min)，旋涂定型，如此往复操作300次，即可获得平均厚度为80-300 nm的均勻的透明导电碳纳米管薄膜，电阻300 Ω/Sq，透光率达到84%。
实施例6将5 mg直径为10-30 nm，层数为8-30层的碳纳米管，加到200 mL无水乙醇中，超声分散对h，得到分散均勻的溶液A。将溶液A倒入压缩式喷雾器中，在室温下，保持压缩式压缩式喷雾器的喷嘴距离石英基体表面为10 cm，将溶液A喷涂到干燥洁净的石英基体表面上(与水平面形成45°的夹角)，得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体B ；将B放置到旋转涂膜机的吸盘(旋转盘的加热温度为20-50°C)上进行定型，旋转速度为4500转/分，旋转时间为80 s ；得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体C ；将沉淀C置于干净的表面皿内，放入真空干燥箱，干燥温度设为30°C，保温10 min,得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体D，再对D表面进行喷涂(压缩式喷雾器中的碳纳米管溶液每隔40 min进行超声处理10 min)，旋涂定型，如此往复操作400次，即可获得平均厚度为90-350 nm的均勻的透明导电碳纳米管薄膜，电阻 200 Ω/sq，透光率达到83%。
实施例7将10 mg直径为10-30 nm，层数为8-30层的碳纳米管加到200 mL无水乙醇中，超声分散对h，得到分散均勻的溶液A。将溶液A倒入压缩式喷雾器中，在室温下，保持压缩式压缩式喷雾器的喷嘴距离石英基体表面为5 cm，将溶液A喷涂到干燥洁净的水平放置的石英基体表面上，得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体B ；将B放置到旋转涂膜机的吸盘上进行定型，旋转速度为5000转/分，旋转时间为100 s ；得到覆有碳纳米管薄膜的石英基体C ；将沉淀C置于干净的表面皿内，放入真空干燥箱，干燥温度设为40°C，保温1 h，覆有碳纳米管薄膜的石英基体D，再对D表面进行喷涂(压缩式喷雾器中的碳纳米管溶液每隔40 min进行超声处理10 min)，旋涂定型，如此往复操作500次，即可获得平均厚度为100-400 nm的均勻的透明导电碳纳米管薄膜，电阻100 Ω/sq，透光率达到80%。
权利要求
1.一种以组合法制备透明导电碳纳米管薄膜的方法，其特征在于，采用石英玻片作为基体，纯化后的碳纳米管和无水乙醇分别作为原料和分散剂，利用压缩式喷雾器将碳纳米管和无水乙醇形成的高度分散的碳纳米管溶液均勻地喷涂到石英基体上，接着将得到的薄膜基体放置到旋转涂膜机的吸盘上进行旋涂定型，伴随着无水乙醇的挥发，直接形成碳纳米管薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种以组合法制备透明导电碳纳米管薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将0.1-10mg直径为2-30 nm，层数为1-30层的碳纳米管，加到50-300 mL无水乙醇中，利用超声波分散对-48 h，得到分散均勻的溶液；(2)采用压缩式喷雾器将步骤(1)得到的碳纳米管溶液喷涂到干燥洁净的石英基体表面上，得到第一层含有溶剂的碳纳米管薄膜；具体包括以下步骤(a)对石英基体进行清洗，干燥；(b)将步骤(1)得到的碳纳米管溶液倒入压缩式喷雾器中；(c)在室温下，将其喷涂到干燥洁净的石英基体表面上；(3)对步骤( 得到的碳纳米管薄膜进行旋涂；具体包括以下步骤(a)将步骤( 得到的薄膜基体放置到旋转涂膜机的吸盘上，进行旋涂定型；(b)将旋涂后的样品置于室内使溶剂自然挥发，或者置于真空干燥箱内干燥，得到第一层碳纳米管薄膜；(4)对步骤( 得到的薄膜进行喷涂和旋涂；具体包括以下步骤(a)将压缩式喷雾器中的碳纳米管溶液进行超声处理；(b)对步骤(3)得到的第一层碳纳米管薄膜再进行喷涂，旋涂(方法与步骤( 和步骤C3)相同)，如此往复操作50-500次，即可获得平均厚度为50-400 nm的均勻的透明导电碳纳米管薄膜。
3.根据权利要求2所述的以组合法制备透明导电碳纳米管薄膜的方法，其特征是，步骤(1)中，碳纳米管的直径为2-30 nm，层数为1_30层。
4.根据权利要求2所述的以组合法制备透明导电碳纳米管薄膜的方法，其特征是，步骤(1)中，无水乙醇可以换为乙二醇或乙醇和乙二醇的混合溶液。
5.根据权利要求2所述的以组合法制备透明导电碳纳米管薄膜的方法，其特征是，步骤O)中，石英基体依次用丙酮、无水乙醇和蒸馏水清洗，再真空干燥。
6.根据权利要求2所述的以组合法制备透明导电碳纳米管薄膜的方法，其特征是，步骤O)中，压缩式喷雾器的喷嘴距离石英基体表面为5-30 cm。
7.根据权利要求2所述的以组合法制备透明导电碳纳米管薄膜的方法，其特征是，步骤⑵中，石英基体可以水平放置、竖直放置或与水平面形成夹角α (0° > α> 90° )放置。
8.根据权利要求2所述的以组合法制备透明导电碳纳米管薄膜的方法，其特征是，步骤(3)中，涂膜机的旋转速度为2000-5000转每分，旋转时间为5-120 S。
9.根据权利要求2所述的以组合法制备透明导电碳纳米管薄膜的方法，其特征是，步骤(3)中，将覆有碳纳米管薄膜的石英基体置于真空干燥箱内干燥，温度为30-100°C，干燥时间为10-60 min。
10.根据权利要求2所述的以组合法制备透明导电碳纳米管薄膜的方法，其特征是，步骤中，压缩式喷雾器中的碳纳米管溶液每隔10-60 min进行超声处理lOmin。
11.根据权利要求2所述的以组合法制备透明导电碳纳米管薄膜的方法，其特征是，步骤中，往复操作次数为50-500次。
全文摘要
一种以组合法制备透明导电碳纳米管薄膜的方法，属于纳米材料技术领域。本发明采用石英玻片作为基体，用纯化后的碳纳米管和无水乙醇分别作为原料和分散剂，用组合法制备了平均厚度为纳米级的透明导电碳纳米管薄膜。具体步骤如下将一定量碳纳米管加到无水乙醇中，超声波分散数小时，得到分散均匀的溶液；将其倒入压缩式喷雾器中，喷涂到石英基体表面上；将上述覆盖碳纳米管薄膜的石英基体放置到旋转涂膜机的吸盘上进行旋涂定型，干燥；再进行喷涂，旋涂定型，如此往复操作，即可获得均匀的透明导电碳纳米管薄膜。本发明的原料易得，成本低廉，能耗低。制备工艺简单，工艺控制简洁，制得的碳纳米管薄膜，均匀，透明导电，具有广泛的应用前景。
文档编号C01B31/02GK102515558SQ20111037091
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月21日 优先权日2011年11月21日
发明者吴子平, 尹艳红, 羊建高, 胡英燕 申请人:江西理工大学