多官能化的碳纳米管制造技术

本发明专利技术涉及制造经涂覆的碳纳米管的方法，所述方法包括以下步骤：在包含硅烷聚合物的溶剂中使碳纳米管官能化；用SiO2层涂覆碳纳米管；将金属催化剂颗粒沉积到碳纳米管的SiO2层上；以及进行化学镀以在碳纳米管的SiO2层上形成Ag涂层。本发明专利技术还涉及经Ag涂覆的CNT以及经Ag涂覆的CNT用作柔性电子膜中的互连件的用途。

Multi functionalized carbon nanotubes

The present invention relates to method for producing coated carbon nanotubes, the method comprises the following steps: the functionalized carbon nanotubes containing silane polymer solvent; SiO2 coated carbon nanotubes; SiO2 layer metal catalyst particles deposited onto carbon nanotubes; with SiO2 layer on carbon nanotubes formed on the coating and Ag in the electroless plating. The invention also relates to the use of Ag coated CNT and Ag coated CNT as interconnect parts in a flexible electronic membrane.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多官能化的碳纳米管
本专利技术涉及碳纳米管和制造碳纳米管的方法。特别地，本专利技术涉及制造多官能化的碳纳米管的方法。
技术介绍
轻质、高度紧凑且可以以低成本提供的便携式和可穿戴的电子设备可以使得多种新应用成为可能，例如类纸显示器、智能服装、可伸缩太阳能电池、照相机眼和生物医学传感器。这些类型的系统的应用需要柔性互连系统，其既高度导电又在机械上足够稳健以具有大的变形稳定性。此外，为了实现紧凑、成本有效的电子器件，还需要简单且可靠的方法以制造具有任意图案的这样的互连件。已探究和研究了许多材料和技术来应对上述挑战。例如，由嵌入PDMS中的电镀弯曲金属线作为电路制成的导体对于高达60％应变的应变已表现出2500Scm-1的最大电导率。然而，由于波形图案化结构和在大的应变下由金属疲劳引起的严重失效，其应用受到限制。作为薄金属层的替代物，已通过混合多种导电填料来制造复合膜(包括微米级银片、离子液体和CNT)。在这样的复合膜中获得了非常高的初始电导率。然而，当拉伸应变超过30％时，膜经受显著的电导率降低。此外，由于使用微米级银片，膜具有高的生产成本并且缺乏制作精细图案化结构的能力。鉴于上述，需要具有超细结构的高度导电且柔性的互连件，其可以以简单且低成本的方式提供。
技术实现思路
鉴于现有技术的上述和其他缺点，本专利技术的目的是提供用于制造适合用作柔性互连件的经导电涂覆的碳纳米管的改进方法。根据本专利技术的第一方面，提供了制造经涂覆的碳纳米管的方法，所述方法包括以下步骤：在包含硅烷聚合物的溶剂中使碳纳米管官能化；用SiO2层涂覆碳纳米管；将金属催化剂颗粒沉积到碳纳米管的SiO2层上；以及进行化学镀以在碳纳米管的SiO2层上形成Ag涂层。化学镀还可以被称为化学或自动催化电镀，意指在不使用电的情况下进行镀覆。本专利技术基于这样的认识：可以使用CNT上的一系列表面改性来制备高性能的杂化纳米线，以实现完整的银涂层和形成均匀的分散体同时保护CNT的原始结构和特性。根据上述方法制造的多官能化的CNT杂化纳米线(用不同的官能层进行改性用于可印刷、导电、柔性且可伸缩的互连应用)已被证明在多种极性溶剂中表现出优异的分散性、高的电导率和良好的柔性。通过直接图案化/印刷由多官能化的CNT杂化纳米线/聚二甲基硅氧烷(PDMS)制造的互连件在重复弯曲循环下表现出5217Scm-1的最大电导率且对于高达40％的应变稳定在1000Scm-1。Ag-MWCNT杂化纳米线的观察到的优异的电和机械性能表明这些材料在可穿戴柔性显示器、可伸缩能量发生器和电容器、电子皮肤、可变形传感器和致动器应用中的潜在用途。形态学研究证明：由于CNT的固有柔性特性，Ag-MWCNT双层结构可以在大的变形下有效地构建电子路径以保证稳定的电和机械性能。重要地，Ag-MWCNT杂化纳米线能够分散在多种极性溶剂中并形成与许多现存的图案化/印刷技术相容的稳定的悬浮液。这些结果促进制造具有高性能的图案化柔性互连件的简单且成本有效的方法。根据本专利技术的一个实施方案，使碳纳米管官能化的步骤有利地包括将碳纳米管分散在包含(3-氨基丙基)-三乙氧基硅烷(APTES)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的乙醇中。APTES为硅烷聚合物且PVP使得CNT在乙醇溶液中的亚稳态平衡成为可能。通常，在金属涂覆过程之前，应进行CNT的表面活化以获得均匀且稳定的分散体。这通常通过CNT的氧化预处理或通过表面活性剂辅助分离方法来实现。然而，这样的处理导致对CNT的严重结构损坏或导致差的电性能。此处，用(3-氨基丙基)-三乙氧基硅烷的可除去的聚合物层将CNT官能化(APTES-CNT)以辅助其分散在极性溶剂中而不对CNT造成任何结构损坏。在用APTES官能化后获得均匀的CNT乙醇溶液。此外，APTES-CNT悬浮液在制备后至少一个月的时间内表现出好的稳定性。在APTES-CNT的乙醇分散体中未检测到沉淀物，这表明APTES在CNT表面上的成功结合。在本专利技术的一个实施方案中，使碳纳米管官能化的步骤还可以包括以下步骤：将CNT浸入包含SiO2前体的溶剂中；以及在溶剂中提供碱性添加剂以形成碱性溶液，所述碱性溶液用于使硅烷聚合物交联使得硅烷聚合物附接到碳纳米管。碱性添加剂可以有利地为氨水，添加其使得碱性溶液达到8至12的pH值。此外，交联反应优选在20℃至50℃的温度下进行。在本专利技术的一个实施方案中，用SiO2层涂覆碳纳米管的步骤包括将碳纳米管浸入包含原硅酸四乙酯、二乙氧基二甲基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷(vinylotriethoxysilane)和原硅酸四甲酯中的至少一种的溶剂中。根据本专利技术的一个实施方案，所述方法还包括在沉积金属催化剂颗粒之前使经SiO2涂覆的碳纳米管敏化。敏化可以例如通过将碳纳米管浸入包含SnCl2·2H2O的液体中来进行。在本专利技术的一个实施方案中，金属催化剂颗粒可以有利地为以PdCl2的形式提供的Pd颗粒。根据本专利技术的一个实施方案，在电镀以形成Ag涂层的步骤中，Ag可以以包含Ag(Ag(NH3)2+)和还原剂的溶液的形式提供。此外，还原剂可以有利地包含选自包括以下的组的至少一种材料：硫酸钴、氯化亚铁、甲醛、聚乙烯吡咯烷酮、葡萄糖、氨水、乙二胺、乙二胺四乙酸和苯并三唑。根据本专利技术的多个实施方案，碳纳米管可以有利地为多壁碳纳米管(MWCNT)。根据本专利技术的第二方面，提供了使用根据上述方法制造的经Ag涂覆的碳纳米管来制造柔性电导体的方法。用于制造柔性导体的方法包括以下步骤：根据前述权利要求中的任一项制造经涂覆的碳纳米管；根据预定图案将经涂覆的碳纳米管布置在基底上；将具有碳纳米管图案的基底浸入包含HF的溶液中使得除去碳纳米管的官能化层和SiO2层；用PDMS层覆盖碳纳米管和基底的表面；使PDMS层固化以形成PDMS膜；以及从基底上除去PDMS膜使得预定图案的碳纳米管附接到PDMS膜。通过除去官能化层(其如上所述可以是APTES)和SiO2层，剩余的杂化纳米线结构是被Ag壳包围的碳纳米管芯。已证明这样的杂化纳米线结构在嵌入PDMS膜中时具有有利的电和机械特性。PDMS(聚二甲基硅氧烷)是常用作柔性电子设备的基础材料的硅氧烷材料。根据本专利技术的一个实施方案，提供了柔性电子导体，其包含：柔性非导电膜；至少部分地嵌入柔性膜中的多个经涂覆的碳纳米管；其中所述碳纳米管包含碳纳米管芯和银壳。在本专利技术的一个实施方案中，根据预定图案将经涂覆的碳纳米管布置在基底上的步骤可有利地通过喷印(spray-printing)、喷墨印刷或掩模印刷(maskprinting)进行。还提供了经涂覆的碳纳米管，其包含布置在所述碳纳米管上的第一涂层，第一涂层包含(3-氨基丙基)-三乙氧基硅烷(APTES)；布置在第一涂层上的硅烷层；布置在硅烷层上的SiO2层；以及布置在SiO2层上的Ag层。当研究所附权利要求书和以下说明时，本专利技术的另外的特征和优点将变得明显。技术人员认识到，在不脱离本专利技术的范围的情况下，可以对本专利技术的不同特征进行组合以产生除了以下描述的那些之外的实施方案。附图说明现在将参考附图更详细地描述本专利技术的这些方面和其他方面，附图示出了本专利技术的示例实施方案，其中：图1a-e示意性地示出了根据本专利技术的一个实施方案的制造方法。图2a-c示意性地示出了根据本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造经涂覆的碳纳米管的方法，所述方法包括以下步骤：在包含硅烷聚合物的溶剂中使所述碳纳米管官能化；用SiO2层涂覆所述碳纳米管；将金属催化剂颗粒沉积到所述碳纳米管的所述SiO2层上；以及进行化学镀以在所述碳纳米管的所述SiO2层上形成Ag涂层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制造经涂覆的碳纳米管的方法，所述方法包括以下步骤：在包含硅烷聚合物的溶剂中使所述碳纳米管官能化；用SiO2层涂覆所述碳纳米管；将金属催化剂颗粒沉积到所述碳纳米管的所述SiO2层上；以及进行化学镀以在所述碳纳米管的所述SiO2层上形成Ag涂层。2.根据权利要求1所述的方法，其中使所述碳纳米管官能化的所述步骤包括将所述碳纳米管分散在包含(3-氨基丙基)-三乙氧基硅烷(APTES)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的乙醇中。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中使所述碳纳米管官能化的所述步骤还包括以下步骤：将所述CNT浸入包含SiO2前体的溶剂中；以及在所述溶剂中提供碱性添加剂以形成碱性溶液，所述碱性溶液用于使所述硅烷聚合物交联使得所述硅烷聚合物附接到所述碳纳米管。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述碱性添加剂为氨水。5.根据权利要求3或4所述的方法，其中添加所述碱性添加剂使得所述碱性溶液达到8至12的pH值。6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中所述交联在20℃至50℃的温度下进行。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中用SiO2层涂覆所述碳纳米管的所述步骤包括将所述碳纳米管浸入包含原硅酸四乙酯、二乙氧基二甲基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷和原硅酸四甲酯中至少一种的溶剂中。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在沉积所述金属催化剂颗粒之前使所述经SiO2涂覆的碳纳米管敏化。9.根据权利要求8所述的方法，其中敏化通过将所述碳纳米管浸入包含SnCl2·2H2O的液体中来进行。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述金属催化剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·刘，
申请(专利权)人：斯马特高科技有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞典,SE