一种碳纳米管薄膜的制备装置及方法与流程

本发明涉及碳纳米管领域，特别涉及一种碳纳米管薄膜的制备装置及方法。

背景技术：

碳纳米管是1991年由日本nec公司的iijima发现的一种新型碳材料，可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管的特殊结构决定了其具有特殊的性质，如高抗张强度和高热稳定性；随着碳纳米管螺旋方式的变化，碳纳米管可呈现出金属性或半导体性等。由于碳纳米管具有理想的一维结构以及在力学、电学、热学等领域优良的性质，其在材料科学、化学、物理学等交叉学科领域已展现出广阔的应用前景，在科学研究以及产业应用上也受到越来越多的关注，但是一般情况下制备得到的碳纳米管为颗粒状或粉末状，这对人们的应用造成了很多不便。

目前，现有技术中曹庆等人利用ls法制备碳纳米管膜，其通过推拉板，以一定速度来回挤压；再通过langmuir-schaefer的方法，把溶液上的碳管阵列平行转移到基底上。hongsikpark等人利用挖沟槽的办法让碳管进入沟槽。美国威斯康星大学arnold等人利用蒸发原理制备条带状碳管。然而，现有技术中的制备方法仍然存在各种不足，采用曹庆等人的方法制备碳纳米管膜，存在大面积不均匀性，并且碳管薄膜是多层，对电学性能(晶体管)产生不好的影响，由于在于反复挤压的过程中，会使得碳管堆积，形成多层，并且这个过程也无法保证各个位点真正均匀。

而采用hongsikpark或arnold等人的方法制备碳纳米管的缺陷在于该方法所得的碳纳米管不是一个连续薄膜，而是条带状，不适用于产业化的大面积加工工艺；且arnold等人的方法中沟槽尺寸最小可以仅能做到70nm，具有较大的局限性。因此，当前需要一种适合大面积制备碳纳米管薄膜的装置和方法。

技术实现要素：

本发明目的提供一种碳纳米管薄膜的制备装置及方法，构造简单，成本低且适合大面积制备，同时，能够有效避免碳纳米管薄膜厚度不均的问题。

根据本发明的一个方面，提出一种碳纳米管薄膜的制备装置，包括一容器主体，包括：

缓冲隔板，所述缓冲隔板位于所述容器主体下部；

溶剂导出部，通过容器主体侧壁的通孔与所述容器主体内部连通，并沿延伸到容器主体外部。

优选地，所述缓冲隔板与容器主体内壁搭接、粘接、扣接或者一体成型。

优选地，所述缓冲隔板上表面具有一凸起的条形固定件以及多个穿孔。

优选地，所述穿孔的直径为1-3mm。

优选地，所述溶剂导出部位于缓冲隔板和容器主体底部之间。

优选地，所述溶剂导出部与所述容器主体的中心轴垂直或成一定角度。

本发明另一方面提供了一种使用上述装置制备顺排碳纳米管薄膜的方法，包括以下步骤：

首先向所述装置的容器主体内加入碳纳米管溶液；

将基底竖直放入容器主体内部；

沿所述基底或所述容器主体侧壁加入与所述碳纳米管溶液(5)互不相容的封液，形成双液层；

利用溶剂导出部导出溶剂，使得碳纳米管溶液液面逐渐下降，从而在基底上形成一层碳纳米管薄膜；最后对形成的薄膜进行清洗。

优选地，所述碳纳米管溶液为碳纳米管溶解在一种或多种卤代烃溶剂，所述卤代烃溶剂选自氯仿、二氯乙烷、三氯乙烷、氯苯、二氯苯、溴苯一种或多种。

优选地，所述封液为多元醇、胺类溶液或水中的一种或多种。优选地，碳纳米管薄膜制备过程的温度为液体冰点至碳纳米管溶液的沸点。

此外，本发明另一方面提供了一种采用特定溶液配方与提拉法进行配合的碳纳米管薄膜制备方法，在步骤s1中碳纳米管溶液注入一容器中，并加入与碳纳米管形成相互作用的物质；然后采用水域超声或探头超声方式分散5min；所述与碳纳米管形成相互作用的物质为多元醇或硫醇，优选为1％-70％的3-甲基-丙二醇。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例进行描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚：

图1示出了本发明碳纳米管薄膜制备装置结构示意图；

图2示出了容器主体的立体结构图；

图3示出了缓冲隔板的立体结构图；

图4示出了碳纳米管薄膜制备工艺的流程图。

附图标记

1-容器；2-基底；3-碳纳米管溶液；4-缓冲隔板；5-半渗透管路；6-封液；7-通孔；8-穿孔；9-凸条。

具体实施方式

下面将通过结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

图1示出了本发明提出的碳纳米管薄膜制备的装置，下面根据图1所示的结构以及图2-4对本发明的具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明提出一种碳纳米管薄膜的制备装置，该装置包括容器主体1，其中盛装碳纳米管溶液3，其形状可以根据基底2的形状、厂房用地等的需要进行设置，可以为长方体、正方体或者圆柱形等，本实施例中采用长方体形状。

本发明中碳纳米管薄膜的形成主要基于容器1中液面的变化而形成，为了确保该液面平缓下降，形成更加均匀的碳纳米管膜，在容器主体1下部具有一缓冲隔板4，缓冲隔板4的四周边缘与容器主体1的内壁连接，并位于所述溶剂导出部3的上方。其中，缓冲隔板4与容器主体1内壁可以是搭接、粘接、扣接或者一体成型。如容器主体1的内壁可以沿内壁四周设置凸起，该缓冲隔板4可以直接搭接在该凸起上。

图3对缓冲隔板4的结构进行了详细示意，缓冲隔板4上表面具有分布多个穿孔8以及一凸起的条形固定件9。穿孔8的设置可以防止液体直接靠近溶剂导出部3，造成溶剂导出速度的不均匀以及碳纳米管薄膜的薄厚不均，该穿孔8可以任意分布在缓冲隔板4主体上，优选为呈阵列均匀分布；该穿孔的直径优选为1-3mm，采用此尺寸的孔洞，液体通过的速度比较平缓和均一。

在缓冲隔板4和容器主体1底部之间具有一溶剂导出部5，该溶剂导出部5通过容器主体1侧壁的通孔7与容器主体1内部连通，并延伸到容器主体1外部。考虑到溶剂的重力作用以及容器主体1中液体的压强，溶剂导出部5与容器主体1的连接位置优选靠近容器主体1的底壁。当然，该溶剂导出部5的数量也可以根据膜层的质量要求以及成膜效率进行调整，可以为一个、两个或者多个，本实施例中采用一个溶剂导出部作为示例。

其中，通过控制溶剂导出部5的长度来实现对液面下降速度的控制，从而控制碳纳米管在基底2表面的自组装成膜速度。其中，溶剂导出部的长度优选大于1cm，进一步优选为1-30㎝，进一步优选为20cm。溶剂导出部5仅可以导出碳纳米管溶液3中的溶剂，而使碳纳米管无法导出，留在容器1中，后续可对该碳纳米管进行回收利用。

溶剂导出部5可以为具有半渗透作用的管路、半渗透膜、安装节门的管道或者与蠕动泵连接的管道，实现定量导出碳纳米管溶液5中溶剂，从而实现精确的液面下降速度。在另一实施例中，所述溶剂导出部3优选为半渗透管路，该半渗透管路与所述容器1的中心轴垂直或成一定角度，与所属中心轴的夹角可以为锐角或钝角。为了安装方便以及溶剂最大程度通过该半渗透管路，优选为基本垂直。采用该种半渗透管路，具有液面下降平稳，构造简单，成本低和适合大面积制备等优势。

本发明的另一实施例中提出一种利用上述装置制备碳纳米管薄膜的方法，具体步骤如图4所示。首先向所述装置的容器主体1内加入碳纳米管溶液3，然后将基底2竖直放入容器主体1内部，随后沿所述基底2或所述容器主体1侧壁加入与所述碳纳米管溶液3互不相容的封液6，形成双液层。碳纳米管溶液3为将碳纳米管溶解在一种或多种卤代烃中所形成，卤代烃优选为氯仿、二氯乙烷、三氯乙烷、氯苯、二氯苯或溴苯。封液6为多元醇、胺类溶液或水中的一种或多种，其均与上述碳纳米管溶液3不相溶。此外，所述碳纳米管薄膜制备过程的温度为液体冰点至碳纳米管溶液的沸点，该冰点指的是封液6和碳纳米管溶液3两者中冰点较高的冰点温度。

本发明中碳纳米管薄膜的形成原理为利用封液6与碳纳米管溶液3之间的作用力，该作用力为分子间作用力(氢键/范德华力/其他非共价键)和共价键或者离子键作用力，封液6与碳纳米管溶液3两种互不相溶的液体形成双液层，溶液中的碳纳米管首先吸附在该双液层相靠近的界面上，碳纳米管溶剂随着溶剂导出部5渗出，容器主体1中液面逐渐下降，该界面上的碳纳米管顺排在基底2上，从而形成碳纳米管薄膜。最后再对形成的薄膜进行清洗。

在本发明的另外一个实施例中，首先配置完成碳纳米管溶液3的配置，其组分选择与实施1中相同，然后向碳纳米管溶液中加入与碳纳米管-分散剂复合物形成相互作用的物质，其中与碳纳米管形成相互作用的物质为多元醇或硫醇，优选为1％-70％的3-甲基-丙二醇。然后采用水域超声或探头超声方式分散5min，形成具有分散剂的碳纳米管溶液16。然后将基底2竖直放入容器主体1内部，随后沿所述基底2或所述容器主体1侧壁加入与所述碳纳米管溶液3互不相容的封液6，形成双液层。碳纳米管溶剂随着溶剂导出部5渗出，容器主体1中液面逐渐下降，该界面上的碳纳米管顺排在基底2上，从而形成碳纳米管薄膜。最后再对形成的薄膜进行清洗。

通过本发明的技术方案，通过控制溶剂导出部的长度来实现碳纳米管溶液下降速度的控制，从而控制碳纳米管在基底表面的自组装速度，从而能够实现液面下降平稳，构造简单、低成本进行大面积顺排碳纳米管薄膜的制备。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。