一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备装置和制备方法与流程

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本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备装置和制备方法。

背景技术：

碳纳米管（cnt），自1991年在高分辨率电镜下发现以来，便引起了全世界的广泛关注和极大的研究兴趣。作为一种新型的纳米材料，由于其独特的几何结构与电子能带结构带来了诸多优异的性能如强度高、比表面大、热传导率高、载流子迁移率高等，这些优异的性能使得碳纳米管在众多领域存在着巨大的应用前景和潜力。

碳纳米管薄膜是实现碳纳米管广泛应用的一种重要的宏观题形态，由大量碳纳米管互相缠绕连接形成的厚度介于几纳米至微米毫米尺度几十纳米的宏观薄膜材料，在电子、能源、智能传感、复合材料、航空航天等重要领域的应用研究已取得一定进展。另一方面，鉴于当前对于材料性能要求的不断提高，需要在一种新材料中赋予和兼备两种以上原有单一传统材料所不具备的优势性能，复合材料便应运而生。

对于碳纳米管薄膜复合材料而言，其包括高分子基体和碳纳米管，该碳纳米管以碳纳米管薄膜结构的形式设置于高分子基体中。目前制备这种碳纳米管薄膜复合材料的方法通常有两种：第一种方法是将碳纳米管粉体制备碳纳米管/高分子基复合材料，分散过程中常用到强酸强碱或表面活性剂，在一定程度上会对原本完整的碳纳米管结构和长度造成破坏，且表面活性剂会残留在碳纳米管复合材料中难以去除，因此得到的碳纳米管复合材料的机械性能和柔韧性不理想。例如：中国发明专利申请（公开号cn103172049a）公开了一种官能化碳纳米管纸及其复合材料的制备方法，其技术方案是在-10~140℃下将碳纳米管加入发烟硫酸中插层0.1~96h，然后在温度为-10~60℃、搅拌条件下经硝酸氧化处理0.1h~480h后，用离心分离或纳米滤膜过滤，经去离子水洗涤至中性，即得官能化碳纳米管；将官能化碳纳米管自由分散于溶剂中，经抽滤即得官能化碳纳米管纸；最后将热固性树脂和官能化碳纳米管纸通过树脂预浸工艺、预浸料热压成型工艺或粉末成型工艺来实现碳纳米管薄膜复合材料。该方法的缺陷是：（1）采用硫酸对碳纳米管进行预处理来实现分散，过程中对碳纳米管的结构会有一定程度的损伤；（2）制备后的碳纳米管纸或薄膜结构致密，与后续高分子基体（树脂）难以完全浸润，树脂多覆盖于碳纳米管纸或薄膜表面，得到的复合材料不能充分发挥碳纳米管网络结构和树脂的增强效果。第二种方法是将已制备好的的碳纳米管薄膜采用浸泡、喷涂等方式与高分子基体复合，形成碳纳米管复合材料预制体，再加压加热等方式处理该预制体使碳纳米管薄膜与高分子基体复合形成碳纳米管薄膜复合材料。例如中国发明专利（公开号cn101456277b）公开了一种碳纳米管复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：制备一自支撑的碳纳米管薄膜结构；提供一液态热固性高分子材料；将所述液态热固性高分子材料浸润所述碳纳米管薄膜结构；固化上述被液态热固性高分子材料浸润的碳纳米管薄膜结构，得到一碳纳米管复合材料。该方法的缺陷是：由于已成型的碳纳米管薄膜自身的致密化程度很高，网络空隙较少，而且高分子基体链段比较长，使得高分子基体不能很好地浸润到碳纳米管薄膜的内部结构中，从而导致复合材料的缺陷增多，从而降低了复合材料的性能。这些缺陷的存在，严重降低了复合材料的可靠性、电学性能、耐水性、耐气候性、耐化学性以及力学性能等。另外，上述两种制备方法涉及设备多，步骤繁琐，难以大规模工业化制备。

技术实现要素：

针对现有技术存在上述技术问题，本发明的目的在于提供一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备装置和制备方法,以解决高分子基体在碳纳米管薄膜网络结构中的浸润及渗透难题，并简化了装置和生产步骤,节省了时间。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

提供一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备装置，包括用于合成碳纳米管聚集体的反应室以及与所述反应室连通的收集室，所述收集室设置有用于收集所述碳纳米管聚集体的传送带，所述传送带可被驱动地沿闭合循环轨迹移动并且可沿传动轴的轴向移动以使所述碳纳米管聚集体层层叠加地缠绕于所述传送带的表面并形成厚度和宽度大小均可调的碳纳米管薄膜；

所述收集室还设置有能够使高分子基体对传送带上形成的碳纳米管薄膜的表面进行浸润的浸润部件以及配合所述传送带的施压部件，高分子基体通过所述浸润部件对碳纳米管薄膜的表面进行浸润，同时所述施压部件对碳纳米管薄膜表面施压以使碳纳米管薄膜与高分子基体结合而形成致密的碳纳米管薄膜复合材料；

所述收集室还设置有用于使所述碳纳米管薄膜复合材料固化成型的加热装置。

优选的，所述施压部件和所述浸润部件集成为具有中空结构的辊轮，所述辊轮的表面开设有孔，高分子基体能够从所述孔中流出并对传送带上形成的碳纳米管薄膜的表面进行浸润，同时所述辊轮对碳纳米管薄膜表面滚压以使碳纳米管薄膜与高分子基体充分结合而形成致密的碳纳米管薄膜复合材料。

优选的，所述施压部件为滚压装置，所述浸润部件为喷淋装置或者涂布装置。

更优选的，所述施压部件活动连接于所述收集室以使所述施压部件与所述传送带之间的压力可调节。

更优选的，沿传动轴轴向，所述施压部件的宽度大于所述碳纳米管薄膜的宽度。

更优选的，所述传送带和所述滚压装置的表面均包覆有聚四氟乙烯材料层或者所述传送带和所述滚压装置均由聚四氟乙烯加工成型。

优选的，所述反应室设置有原料进口和载气进口。反应物由原料进口注入反应室，同时载气由载气进口通入反应室，反应物在反应室内生成碳纳米管聚集体，并在载气的作用下进入收集室被收集。

本发明还提供一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备方法，所述制备方法是采用上述制备装置进行的，其包括以下步骤：

a）将反应物注入反应室，同时通入载气，反应物在1100-1600℃的恒温下反应生成碳纳米管聚集体；所述反应物包括碳源、催化剂和促进剂；

b）步骤a生成的碳纳米管聚集体在载气的作用下进入收集室，并沉积在传送带上，随着传送带的移动，碳纳米管聚集体缠绕在传送带的表面而形成具有一定厚度的单层碳纳米管薄膜，并通过调整传送带沿传动轴的轴向移动距离，得到具有一定宽度的单层碳纳米管薄膜；

c）将配置好的高分子基体通过浸润部件对步骤b得到的单层碳纳米管薄膜表面进行浸润，同时施压部件与传送带贴合并随着传送带的移动对碳纳米管薄膜进行施压，以使碳纳米管薄膜与高分子基体进一步结合而形成致密的单层碳纳米管薄膜复合材料；

d）将步骤c得到的单层碳纳米管薄膜复合材料经过加热装置加热固化成型；

e）随着传送带沿闭合循环轨迹的移动，经过层层叠加，最终得到厚度和面积大小可调的碳纳米管薄膜复合材料。

优选的，步骤a中，所述碳源为甲醇、乙醇、异丙醇中的至少一种；

所述催化剂为二茂铁和二茂镍中的至少一种，其占反应物总质量的0.1-3%；

所述促进剂为噻吩和硫单质中的至少一种，其占反应物总质量的0.1-3%；

所述载气为氢气、氮气或者氢气和惰性气体的混合气体，其中所述氢气的体积百分比为10~100%，所述惰性气体为氩气或氦气；所述载气的气体流量为1~10l/min。

优选的，所述高分子基体为热固性或热塑性树脂。若高分子基体常温下流动性良好则不用加入溶剂，若高分子基体常温下流动性不好则需加入有机溶剂来溶解以增加高分子基体的流动性，且有机溶剂为可挥发性溶剂，可选的溶剂为乙醇、甲醇、丙酮或者二氯乙烷，或者其他类型的可挥发性溶剂。

更优选的，所述高分子基体为环氧树脂与溶剂按照质量比1:（4~19）制成的混合溶液，所述溶剂为乙醇、甲醇、丙酮或者二氯乙烷；步骤d中，加热固化温度为110~130℃。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明中的碳纳米管薄膜复合材料的制备装置和制备方法具有以下优点：

（1）本发明的碳纳米管薄膜直接通过传送带收集碳纳米管聚集体并在传送带表面形成的，省去了现有技术对碳纳米管进行预处理来实现分散的表面处理过程，从而避免了对碳纳米管结构的破坏；

（2）在收集过程中，每一层碳纳米管薄膜均与高分子基体直接浸润，解决了碳纳米管薄膜成型后的致密结构不利于高分子基体渗透的技术难题，使碳纳米管相互连接的三维网络结构得已充分利用，其中高分子基体在碳纳米管与管束之间均匀包覆，良好浸润并能够很好地填充三维网络间隙；加之施压部件在碳纳米管薄膜层层堆叠过程中的持续压力使形成的碳纳米管复合材料更加致密；再通过后续的加热装置，使得在收集过程中高分子基体即固定在碳纳米管及其管束周围避免溶液流动脱落，让每一根碳纳米管都能与高分子基体充分结合，从而使最终制备的碳纳米管薄膜复合材料的导电、导热等综合性能得到显著提高；

（3）利用本发明的制备装置，一步即可完成对碳纳米管薄膜复合材料的制备，制备方法简单、适用性广、成本低廉，节省了繁琐的步骤，并简化了制造设备，具有适合大规模生产的优点。

附图说明

图1为实施例1的一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备装置的结构示意图。

图2为实施例1的一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备装置的辊轮的结构示意图

附图标记：

反应室1、收集室2、传送带3、主动轮4、从动轮5、辊轮6、孔61、加热装置7、碳纳米管聚集体8、支撑臂9。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明进行详细说明。

实施例1：

一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备装置，如图1所示，包括用于合成碳纳米管聚集体8的反应室1以及与反应室1连通的收集室2。反应室1可以设置为立式或卧室反应炉的结构，采用浮动催化化学气相沉积法合成碳纳米管聚集体8，反应室1设置有原料进口和载气进口，反应物由原料进口注入反应室1，同时载气由载气进口通入反应室1，反应物在反应室1内生成碳纳米管聚集体8，碳纳米管聚集体8在载气的作用下进入收集室2被收集。

收集室2设置有用于收集碳纳米管聚集体8的传送带3，反应室1合成的碳纳米管聚集体8进入收集室2并沉积在传送带3上，传送带3通过主动轮4和从动轮5张紧连接，主动轮4的传动轴连接电机（图中未表示出）。收集过程中，电机驱动主动轮4匀速旋转，进而带动传送带3沿闭合循环轨迹移动，使碳纳米管聚集体8层层叠加地缠绕于传送带3的表面并形成一定厚度的碳纳米管薄膜。每层碳纳米管薄膜的厚度仅仅为几个纳米的厚度（如1~9nm）。传动轴可被控制地沿轴向移动，进而带动传送带3沿轴向移动，以实现在轴向上对不同宽度的碳纳米管薄膜的收集。

收集室2还设置有能够使高分子基体对传送带3上形成的碳纳米管薄膜的表面进行浸润的浸润部件以及配合传送带3的施压部件，高分子基体通过浸润部件对碳纳米管薄膜的表面进行浸润，同时施压部件配合传送带3对碳纳米管薄膜表面施压以使碳纳米管薄膜与高分子基体结合而形成致密的碳纳米管薄膜复合材料。浸润部件和施压部件设置在靠近传送带3的收集端。

本实施例中，如图2所示，施压部件和浸润部件集成为具有中空结构的辊轮6，辊轮6的表面开设有孔，孔的数量优选是多个，多个孔均匀分布在辊轮6表面。辊轮6连接注射器，将预先配置好的高分子基体注入到辊轮6中，然后高分子基体能够从孔中流出并对传送带3上形成的碳纳米管薄膜的表面进行浸润，同时辊轮6配合传送带3对碳纳米管薄膜表面滚压以使碳纳米管薄膜与高分子基体充分结合而形成致密的碳纳米管薄膜复合材料。

辊轮6通过支撑臂9活动连接于收集室2顶部，辊轮6与传送带3的间距可调，以使辊轮6与传送带3之间的压力可调节。

沿传动轴的轴向（即垂直于图1所在平面的方向），辊轮6的宽度大于单层碳纳米管薄膜的宽度，以使每一层碳纳米管薄膜的表面均匀且充分地与高分子基体结合。

传送带3和辊轮6的表面均包覆有聚四氟乙烯材料层，或者传送带3和辊轮6均由聚四氟乙烯加工成型，以降低碳纳米管薄膜与传送带3或辊轮6表面之间的范德华作用力，也可以采用其他具有同等作用的材料层。

本实施中，收集室2还设置有用于使碳纳米管薄膜复合材料固化成型的加热装置7。加热装置7可根据不同高分子基体固化成型的条件不同而任意调节温度和时间。加热装置7至少有一个，可以设置在收集箱尾部（图1中远离收集端的一侧）或其他位置，加热装置7可以为单面板、上下面板、半封闭箱体等形态。

本发明的制备装置解决了现有技术高分子基体在碳纳米管薄膜结构中的浸润和渗透难题，最终得到的碳纳米管薄膜复合材料中，高分子基体在碳纳米管与管束之间均匀包裹，良好浸润并填充至碳纳米管相互连接的三维网络间隙中，从而使碳纳米管薄膜复合材料的综合性能得到显著提高。

实施例2：

一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备装置，本实施例的主要技术方案与实施例1的相同，不同之处在于：

施压部件为辊轮或其他形式的滚压装置，浸润部件为喷淋装置，喷淋装置连接用于盛放高分子基体的容器。

收集过程中，高分子基体通过喷淋装置喷淋于纳米薄膜的表面进行浸润，同时滚压装置配合传送带3对碳纳米薄膜碳纳米管薄膜表面滚压以使碳纳米薄膜碳纳米管薄膜与高分子基体结合而形成致密的碳纳米管薄膜复合材料。

实施例3：

一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备装置，本实施例的主要技术方案与实施例1的相同，不同之处在于：

施压部件为辊轮或其他形式的滚压装置，浸润部件为涂布装置，高分子基体通过涂布装置涂布于纳米薄膜的表面进行浸润，同时滚压装置配合传送带3对碳纳米薄膜碳纳米管薄膜表面滚压以使碳纳米薄膜碳纳米管薄膜与高分子基体结合而形成致密的碳纳米管薄膜复合材料。

实施例4：

采用实施例1至实施例3的制备装置进行一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a）将反应物注入反应室1，同时通入载气，反应物在1400℃的恒温下反应生成碳纳米管聚集体8。具体的，采用浮动催化化学气相沉积法合成碳纳米管聚集体8，反应物包括碳源、催化剂、促进剂。其中：

碳源为甲醇，甲醇中溶解有催化剂和促进剂，催化剂的含量占反应物总质量的1%，促进剂占反应物总质量的2%，催化剂为二茂铁，促进剂为噻吩，载气为氢气，载气的气体流量为1l/min。

b）步骤a生成的碳纳米管聚集体8在载气的作用下进入收集室2，并沉积在传送带3上，随着传送带3的移动，碳纳米管聚集体8缠绕在传送带3的表面而形成具有一定厚度的单层碳纳米管薄膜，并通过调整传送带3沿传动轴的轴向移动距离，得到具有一定宽度的单层碳纳米管薄膜。

c）将配置好的高分子基体通过浸润部件对步骤b得到的单层碳纳米管薄膜表面进行浸润，同时施压部件与传送带3贴合并随着传送带3的移动对碳纳米管薄膜进行施压，以使碳纳米管薄膜与高分子基体进一步结合而形成致密的单层碳纳米管薄膜复合材料。高分子基体为热固性或热塑性树脂，若高分子基体常温下流动性良好则不用加入溶剂，若高分子基体常温下流动性不好则需加入有机溶剂来溶解以增加高分子基体的流动性，且有机溶剂为可挥发性溶剂，可选的溶剂为乙醇、甲醇、丙酮或者二氯乙烷，或者其他类型的可挥发性溶剂。

d）将步骤c得到的单层碳纳米管薄膜复合材料经过加热装置7加热固化成型。

e）随着传送带3沿闭合循环轨迹的移动，经过一定时间的层层叠加，最终得到厚度和面积大小可调的碳纳米管薄膜复合材料。

在层层叠加的收集过程中，每一层碳纳米管薄膜均与高分子基体直接浸润，解决了碳纳米管薄膜成型后的致密结构不利于高分子基体渗透的技术难题，使碳纳米管相互连接的三维网络结构得已充分利用，其中高分子基体在碳纳米管与管束之间均匀包覆，良好浸润并能够很好地填充三维网络间隙；加之施压部件在碳纳米管薄膜层层堆叠过程中的持续压力使形成的碳纳米管复合材料更加致密；再通过后续的加热装置7，使得在收集过程中高分子基体即固定在碳纳米管及其管束周围避免溶液流动脱落，让每一根碳纳米管都能与高分子基体充分结合，从而使最终制备的碳纳米管薄膜复合材料的导电、导热等综合性能得到显著提高。

实施例5：

一步制备碳纳米管薄膜复合材料的制备方法，本实施例的主要技术方案与实施例4的相同，不同之处在于：

步骤a中，反应物在1100℃的恒温下反应生成碳纳米管聚集体8。碳源为乙醇，乙醇中溶解有催化剂和促进剂，催化剂的含量占反应物总质量的2%，促进剂占反应物总质量的3%，催化剂为二茂镍，促进剂为噻吩，载气为氢气和氦气的混合气体，其中氢气体积百分比为30%；载气的气体流量为5l/min。

反应物还包括辅助剂，辅助剂占反应物总质量的1%，具体的，辅助剂为水，其作为氧化剂使用。

步骤c中，高分子基体为环氧树脂与丙酮制成的环氧树脂溶液，其中环氧树脂的含量为10%。步骤d中，加热固化温度设置为120℃。

实施例6：