一种高度石墨化的碳纳米管超薄导热导电薄膜的制备方法与流程

本发明属于纳米材料技术领域。

背景技术：

碳纳米管在纳米技术、导热导电及材料科学和技术等领域具有重要应用价值。其优异的电传导、热传导和机械性能，在许多领域有广泛的应用空间。碳纳米管薄膜是由碳纳米管制作而成的一种对环境无危害，无毒无害的基础材料。由于碳纳米管薄膜具有柔性可弯曲的特点，在透明导电薄膜，柔性显示器、触摸屏等高造价现代电子产品的部件有着广泛的应用。同时碳纳米管薄膜还具有密度低、质量轻、导电导热性好，也可作为锂电池集流体，能降低电极整体重量，提升电池的能量密度。

目前通过碳纳米管粉体制备碳纳米管薄膜的方法较为单一，一般采用在碳纳米管分散液中添加粘结剂，通过超声、搅拌或高压均质处理制成碳纳米管悬浊液，然后通过抽滤或均匀涂覆的方式在基底上成型，最后通过分离制成碳纳米管薄膜。这种制备方法具有明显缺点：加入大量粘结剂导致薄膜导电性不理想，若成膜后采用碳化处理将粘结剂碳化提高其导电性，碳纳米管薄膜则会失去原有的机械强度，使得碳纳米管薄膜的使用受到限制，使用效果也不理想。

本实验使用的碳纳米管是一维直线型纳米碳材料，其长径比和比表面积较大，同时不易堆叠吸附、相互缠绕在一起，这使得碳纳米管的分散相对容易，碳纳米管分散液的制备也更加容易。

碳纳米管作为一种纳米材料，为满足其在宏观尺度上的应用，制备出一种在具有良好导电性的同时具有一定机械强度的碳纳米管薄膜，对于科研实验、工业应用都具有很大价值。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种高度石墨化的碳纳米管超薄导热导电薄膜的制备方法，通过对碳纳米管薄膜的高温热处理和压力下轧制，克服碳纳米管薄膜相对强度较低不利于生产操作的缺点，大幅提高碳纳米管薄膜的导热、导电和机械强度，改善碳纳米管薄膜的使用性能。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种高度石墨化的碳纳米管超薄导热导电薄膜的制备方法，包括如下步骤。

（1）碳纳米管悬浊液的制备，将碳纳米管、分散剂、粘结剂和N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶液为原料，经过超声、高速剪切或球磨，制备碳纳米管悬浊液，碳纳米管、分散剂和NMP按4-12:1-2:80-99 的质量比配制成分散液，再由分散液和粘结剂按90-100:1-5的质量比配制而成。

（2）将制备好的碳纳米管悬浊液均匀涂覆在基底上，65℃干燥。在基底上形成碳纳米管薄膜。

（3）将步骤（2）中形成的碳纳米管薄膜，从基底上剥离。

（4）碳纳米管薄膜的改性处理：将步骤（3）中剥离后的碳纳米管薄膜置于真空碳化炉中，以10-15℃/min升温至600℃，保温20-120min，再以2-5℃/min升温至800℃-1400℃，保温时间为1-10h，结束后冷却至室温取出。

（5）将步骤（4）中碳化处理后的碳纳米管薄膜再置于石墨化炉中，以5-20℃/min的升温速度升温至2300℃-3000℃，石墨化处理过程中用氩气、氮气等保持非氧化的惰性气体保护，保温2-36h，随炉冷却至室温取出。

（6）将步骤（5）中石墨化处理后的碳纳米管薄膜通过对辊机轧制，对辊机调整厚度为10-30μm，薄膜密度为0.1~0.6g/cm³，厚度为10-50μm。

本发明步骤（2）所述的基底为柔性塑料薄膜、铜箔或者铝箔。

本发明的碳纳米管薄膜较之前导电性提高明显，薄膜经轧制使得其强度、柔韧性明显增强。

附图说明

图1为本发明碳纳米管薄膜剥离基体前的照片。

图2为本发明碳纳米管薄膜剥离基体后的照片。

具体实施方式

本发明通过以下实施例作进一步说明。

本发明实施例所用的碳纳米管为中国专利ZL201210067937.1、ZL201210304345.7所制备的。

实施例1。

（1）碳纳米管悬浊液制备。将石墨化处理的碳纳米管、SDBS 分散剂、NMP 以5:1:84的质量比称取置于烧杯中，用封口膜密封，再超声1h，再换封闭容器高速剪切1h，制作成分散液。分散液和PVDF 粘结剂以95:1.1 的质量比配制，于封闭容器中高速剪切2h，制备碳纳米管悬浊液。

（2）将碳纳米管悬浊液均匀涂覆在柔性塑料薄膜上，65℃干燥。

（3）用镊子轻轻将碳纳米管薄膜与柔性塑料薄膜分离。

（4）将碳纳米管薄膜置于充有氩气保护的碳化炉中，以10/min升温至600℃，保温60min，再以3℃/min升温至1200℃，保温5h，结束后冷却至室温取出。

（5）将碳化处理后的碳纳米管薄膜置于石墨化炉中，通入氩气作为保护气体，以15℃/min的升温速度升温至2800℃，保温时间为12h，石墨化结束后冷却取出。

（6）将石墨化处理后的碳纳米管薄膜通过对辊机轧制处理，密度约为0.215g/cm³厚度为25μm。

实施例2。

（1）碳纳米管悬浊液制备。将石墨化处理的碳纳米管、SDS 分散剂、NMP 以6:1.1:90的质量比称取置于烧杯中，用封口膜密封，再超声1h，再换封闭容器高速剪切1h，制作成分散液。分散液和SBR 粘结剂以90:1 的质量比配制，于封闭容器中球磨4h，制备碳纳米管悬浊液。

（2）将碳纳米管悬浊液均匀涂覆在铜箔上，65℃干燥。

（3）用镊子轻轻将碳纳米管薄膜与铜箔分离。

（4）将碳纳米管薄膜置于充有氩气保护的碳化炉中，以12/min升温至600℃，保温50min，再以4℃/min升温至1400℃，保温6h，结束后冷却至室温取出。

（5）将碳化处理后的碳纳米管薄膜置于石墨化炉中，通入氩气作为保护气体，以10℃/min的升温速度升温至2700℃，保温时间为18h，石墨化结束后冷却取出。

（6）将石墨化处理后的碳纳米管薄膜通过对辊机轧制处理，厚度为20μm，密度约为0.325g/cm³。