專(zhuān)利名稱(chēng)：一種碳納米管薄膜的電泳沉積制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳納米管薄膜的制備方法，特別是電泳沉積制備方法，屬納米材料技術(shù)領(lǐng)域。
目前，碳納米管薄膜的制備方法主要有直接生長(zhǎng)法和后處理法兩種。
直接生長(zhǎng)法是利用電弧放電、激光燒蝕、化學(xué)氣相沉積等制備方法，在一定材料的基底上直接生長(zhǎng)碳納米管薄膜。其優(yōu)點(diǎn)是碳納米管的結(jié)構(gòu)、尺寸可以通過(guò)工藝條件來(lái)調(diào)節(jié)，而且可以通過(guò)基底或者催化劑的圖形來(lái)實(shí)現(xiàn)碳納米管的圖形化；其缺點(diǎn)是需要各種處理方法來(lái)改進(jìn)碳納米管薄膜的性能、對(duì)基底的選擇性比較強(qiáng)，而且由于目前工藝條件所限，這些工藝過(guò)程大都需要高溫條件，因此無(wú)法使用低熔點(diǎn)的材料作為基底，例如有機(jī)玻璃，這大大限制了碳納米管薄膜在傳感器、場(chǎng)發(fā)射顯示器件等方面的應(yīng)用。同時(shí)，由于高溫條件會(huì)破壞微電子電路，因此導(dǎo)致了碳納米管薄膜的制備工藝與微電子工藝的不兼容性。
后處理法是在前面提到的幾種方法制備出碳納米管的基礎(chǔ)上，對(duì)碳納米管進(jìn)行修飾和性能改進(jìn)，然后通過(guò)一定的后處理工藝得到統(tǒng)一、均勻的碳納米管薄膜。后處理法最大的特點(diǎn)是對(duì)基底的要求不高，避免了工藝中出現(xiàn)高溫，有可能實(shí)現(xiàn)與微電子工藝的兼容。目前常見(jiàn)的后處理法制備碳納米管薄膜的方法包括噴涂法、蒸發(fā)法等，這些方法雖然工藝簡(jiǎn)單，但成膜速度較慢，而且薄膜厚度較難控制，不適合大批量、自動(dòng)化生產(chǎn)，工業(yè)推廣實(shí)現(xiàn)較難。
電泳沉積是指依靠電場(chǎng)的作用，懸浮液中的帶電固體微粒發(fā)生定向移動(dòng)，并沉積在具有相反電荷和具有一定形狀電極上的現(xiàn)象。它包括電泳和沉積兩個(gè)步驟電泳又叫電遷移，指帶電粒子在一定介質(zhì)中因電場(chǎng)作用而發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)的物理化學(xué)現(xiàn)象；沉積是指顆粒聚集成膜或者塊體。目前，電泳沉積在涂裝技術(shù)方面的應(yīng)用研究非常深入，以其膜厚均勻、外觀良好、無(wú)環(huán)境危害、操作安全、工序自動(dòng)化、適用于流水化生產(chǎn)等特點(diǎn)，在汽車(chē)、家電、輕工、金屬等行業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用。
目前，利用電泳沉積進(jìn)行碳納米管薄膜的制備面臨的主要問(wèn)題是薄膜厚度可控性差，薄膜均勻性差等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可得到薄膜厚度均勻的碳納米管薄膜的制備方法。本方法涉及一種利用電泳沉積制備碳納米管薄膜的方法，包括以下五個(gè)步驟1.碳納米管的純化處理和表面修飾將已經(jīng)制備出的碳納米管與濃度為30％的過(guò)氧化氫溶液混合，超聲振蕩10～120分鐘后過(guò)濾出碳納米管；使用二硫化碳洗滌碳納米管3～5次；使用無(wú)水甲醇洗滌碳納米管3～5次；烘干；將上述碳納米管與濃酸混合后在70～150℃回流加熱10～120分鐘，所說(shuō)的濃酸是指98％的濃硫酸、69％濃硝酸及兩者的混合酸這三種中的任一種；過(guò)濾出碳納米管；使用去離子水洗滌碳納米管3～10次并烘干；2.碳納米管穩(wěn)定懸浮液的形成將上述碳納米管分散在水或者有機(jī)溶劑中，所說(shuō)的有機(jī)溶劑可以是乙醇、丙酮或者是它們的混合物中的任一種；加入無(wú)機(jī)鹽，所說(shuō)的無(wú)機(jī)鹽可以是氯化鎂、硝酸鎂、氯化鋁、硝酸鋁中的任一種；超聲振蕩10～120分鐘，靜置10～120分鐘，形成各種濃度的穩(wěn)定的懸浮狀電泳液；3.電泳沉積碳納米管薄膜以生長(zhǎng)薄膜所需的基底作為電泳池的陰極，所說(shuō)的陰極可以是任何在電泳過(guò)程中不被腐蝕的導(dǎo)電材料，也可以是電泳過(guò)程中不被腐蝕的絕緣體或者半導(dǎo)體表面具有一定圖形的導(dǎo)電材料；以金屬電極作為陽(yáng)極，所說(shuō)的陽(yáng)極可以是鉑電極、金電極、銅電極中的任意一種；以碳納米管懸浮液作為電泳液；在直流10～100伏特電壓下，根據(jù)所需薄膜厚度電泳30秒～20分鐘；4.薄膜烘干將陰極得到的產(chǎn)物連同陰極在0～200℃下烘干1～120分鐘；5.二次電泳將陰極接著放入上述電泳池中進(jìn)行二次電泳；30秒～20分鐘后再將陰極得到的產(chǎn)物取出烘干，即可得到碳納米管薄膜。
本發(fā)明較好的實(shí)施條件是碳納米管直徑小于80納米。
碳納米管長(zhǎng)度小于30微米。
濃酸是由98％濃硫酸與69％濃硝酸按體積比3∶1混合而成的。
加熱回流時(shí)間小于30分鐘。
分散溶劑是無(wú)水乙醇。
無(wú)機(jī)鹽是氯化鎂或者硝酸鎂。
陽(yáng)極是鉑電極。
電泳電壓是50～80伏直流電。
電泳時(shí)間為1～20分鐘。
晾干或烘干溫度為10～50℃。
晾干或烘干時(shí)間為1～30分鐘。
二次電泳時(shí)間為1～20分鐘。
本發(fā)明的特點(diǎn)1.本發(fā)明所提供的方法得到的碳納米管薄膜與其它已有方法相比，具有制作周期短、碳納米管薄膜均勻致密、碳納米管可以預(yù)先進(jìn)行修飾處理等特點(diǎn)；2.本發(fā)明可以通過(guò)改變沉積電壓、沉積時(shí)間來(lái)控制碳納米管薄膜的厚度；3.本發(fā)明可以通過(guò)改變電極圖案來(lái)控制碳納米管薄膜的圖形化；4.本發(fā)明所采用的電泳沉積方法實(shí)施方便簡(jiǎn)單，對(duì)儀器要求不高，而且沉積過(guò)程易于外部調(diào)控；5.本發(fā)明具有電泳時(shí)間短，電泳過(guò)程可以在多種溶劑中進(jìn)行，特別是可以在水相和常用有機(jī)溶劑中進(jìn)行，對(duì)環(huán)境污染小，且價(jià)格便宜，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明具有生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、成膜快、薄膜厚度可控、用于沉積薄膜的基底形狀不受限制等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且加工工藝簡(jiǎn)單，適合大批量、自動(dòng)化生產(chǎn)，易于工業(yè)推廣應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例11.選用納米聚團(tuán)技術(shù)制備的多壁碳納米管黑色粉體，純度大于80％，內(nèi)徑2～30納米，外徑5～60納米，聚團(tuán)大小幾十微米。將該碳納米管與30％的過(guò)氧化氫溶液混合，超聲振蕩10分鐘后過(guò)濾；使用二硫化碳反復(fù)洗滌碳納米管三次；使用無(wú)水甲醇反復(fù)洗滌碳納米管三次；烘干。將上述碳納米管與75毫升98％濃硫酸、25毫升69％濃硝酸混合，在75℃回流加熱10分鐘，過(guò)濾出碳納米管；使用去離子水洗滌碳納米管并烘干。
2.稱(chēng)取上述碳納米管50毫克，加入100毫升無(wú)水乙醇和512毫克氯化鎂，超聲振蕩20分鐘，靜置30分鐘，形成黑色、穩(wěn)定的碳納米管懸浮液。
3.將上述碳納米管懸浮液作為電泳液，并以圖形化金的硅片作為電泳池的陰極，以金片作為電泳池的陽(yáng)極；陰極、陽(yáng)極之間相對(duì)間距為4厘米；在電泳池的陰極和陽(yáng)極之間加50伏特的直流電壓，4分鐘后將陰極取出。
4.將上述陰極在常溫下靜置2分鐘30秒；5.再次將陰極放入電泳池中，加50伏特的直流電壓保持1分鐘；將陰極取出，在常溫下晾干。
結(jié)果可以得到以硅片為基底生長(zhǎng)的黑色、均勻的、圖形化的碳納米管薄膜。測(cè)量結(jié)果顯示，薄膜邊緣平均厚度約為87微米。
實(shí)施例21.選用納米聚團(tuán)技術(shù)制備的多壁碳納米管黑色粉體，純度大于80％，內(nèi)徑2～30納米，外徑5～60納米，聚團(tuán)大小幾十微米。將該碳納米管與30％的過(guò)氧化氫溶液混合，超聲振蕩10分鐘后過(guò)濾；使用二硫化碳反復(fù)洗滌碳納米管三次；使用無(wú)水甲醇反復(fù)洗滌碳納米管三次；烘干。將上述碳納米管與75毫升98％濃硫酸、25毫升69％濃硝酸混合，在75℃回流加熱10分鐘，過(guò)濾出碳納米管；使用去離子水洗滌碳納米管并烘干。
2.稱(chēng)取上述碳納米管50毫克，加入100毫升無(wú)水乙醇和512毫克氯化鎂，超聲振蕩20分鐘，靜置30分鐘，形成黑色、穩(wěn)定的碳納米管懸浮液。
3.將上述碳納米管懸浮液作為電泳液，并以圖形化金的硅片作為電泳池的陰極，以金片作為電泳池的陽(yáng)極；陰極、陽(yáng)極之間相對(duì)間距為1厘米；在電泳池的陰極和陽(yáng)極之間加90伏特的直流電壓，4分鐘后將陰極取出。
4.將上述陰極在常溫下靜置2分鐘；5.再次將陰極放入電泳池中，加50伏特的直流電壓保持1分鐘；將陰極取出，在常溫下晾干。
結(jié)果可以得到以硅片為基底生長(zhǎng)的黑色、均勻的、圖形化的碳納米管薄膜。測(cè)量結(jié)果顯示，薄膜邊緣平均厚度約為245微米。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管薄膜的電泳沉積制備方法，包含碳納米管的純化處理和表面修飾、碳納米管穩(wěn)定懸浮液的形成、電泳沉積碳納米管薄膜三個(gè)步驟，其特征是在碳納米管薄膜形成后將其干燥，并進(jìn)行二次電泳沉積。
全文摘要
一種碳納米管薄膜的電泳沉積制備方法，屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，本方法包含碳納米管的純化處理和表面修飾、碳納米管穩(wěn)定懸浮液的形成、電泳沉積碳納米管薄膜、薄膜烘干和二次電泳沉積幾個(gè)步驟。本發(fā)明具有生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、成膜快、薄膜厚度可控、基底形狀不受限制等優(yōu)點(diǎn)，工藝簡(jiǎn)單，適合大批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C01B31/00GK1570220SQ200410034108
公開(kāi)日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2004年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月23日
發(fā)明者葉雄英, 郭琳瑞, 周兆英 申請(qǐng)人:清華大學(xué)