自超酸溶液加工而成的纯碳纳米管制品及其生产方法技术

本发明专利技术披露了包含对齐的纯碳纳米管的制品及其制备方法。所述制品和方法包含挤出碳纳米管的超酸溶液，然后除去超酸溶剂。所述制品可利用湿喷射湿纺法、干喷射湿纺法和促凝剂协流挤出技术进行加工。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请交叉参考本申请要求2007年10月29日提交的美国临时申请60/983495的优先权，其完整 内容通过参考并入本文，如同写入本文一样。关于联邦资助研究的声明本工作受海军研究所和空军科学研究所扶手椅型量子线(armchair quantum wire)项目的资助，资助号分别为 N00014-01-1-0789 和 FA9550-06-1-0207。
技术介绍
碳纳米管拥有的若干性质使它们成为下一代轻质材料的备选对象。碳纳米管的 机械性质、电学性质和热性质分别超过了钢、铜和金刚石的相应性质，而密度则小得多。尽 管人们为碳纳米管预想了许多应用，但加工方面的困难妨碍了人们将这些纳米级实体变为 宏观实体。基于碳纳米管的宏观物体可由纯碳纳米管形成，也可由分散在合适的基质中的 碳纳米管基聚合物复合体形成。由纯碳纳米管形成的宏观物体可具有纤维、带、膜和片等形 式。经加工的碳纳米管也可挤出到模具中。迄今为止，由碳纳米管形成的宏观物体是否具 有纳米级碳纳米管的性质尚待验证。预想中的许多碳纳米管应用是使用对齐的碳纳米管， 以利用其性质的方向性。加工材料的两种主要方法包括液态纺丝技术和固态纺丝技术。固态纺丝通常用于 天然材料，它将分立的纤维纺成诸如纱这样的材料。相反，多数合成纤维，如利用聚合物制 成的纤维，是由浓的粘性流体形成的。粘性流体可以是纤维材料的熔体或溶液，通过流动加 工装置挤出，在冷却或除去溶剂后转化为纤维。考虑到碳纳米管的固有性质，这两种方法要 经过改进后才适用于将碳纳米管纺成纤维。特别地，碳纳米管具有高熔点，不溶于常规有机 溶剂，这些性质妨碍了碳纳米管的液态纺丝。迄今为止，固态纺丝制成了具有最佳性质的纯 碳纳米管纤维，尽管这些纤维的聚结度和致密度不足，不能最大限度获得碳纳米管的固有 性质。液态纺丝有望制得致密度更高的碳纳米管纤维。为进行液态加工，人们尝试了许多方法，试图提高碳纳米管的溶解性，使能够应用 于液态纺丝，包括用有机溶解基团对碳纳米管进行官能化以及在表面活性剂存在下分散碳 纳米管。这些技术的确改善了碳纳米管的可加工性，但其应用有限。官能化改变了碳纳米 管的结构，导致其诱人的机械性质、电学性质和热性质遭到削弱。利用表面活性剂可以得到 单碳纳米管的溶液，但所得浓度太低，而且在将碳纳米管加工成宏观物体的过程中必须除 去表面活性剂。人们还利用超酸溶解和加工碳纳米管。基于前述现状，为便于通过液态加工技术生产宏观物体而制备高浓度碳纳米管溶 液的方法将是非常有用的。特别地，利用常规液态加工技术，将未官能化碳纳米管加工成纤 维、带、片、膜和模具的方法将是非常有益的。此外，应用这些技术制备包含对齐的碳纳米管 的宏观物体也是有用的。
技术实现思路
在多种实施方式中，描述了包含对齐的纯碳纳米管的制品的制备方法。所述方法 包含以下步骤1)在超酸溶剂中制备碳纳米管溶液；2)挤出溶液，得到挤出物；以及3)从 挤出物中除去超酸溶剂。对碳纳米管在超酸溶剂中的浓度加以选择，使溶液处于液晶态。在 某些实施方式中，所述方法包括在至少一个步骤中施加张力。在其他多种实施方式中，披露了包含对齐的纯碳纳米管的制品。所述制品通过包 括以下步骤的过程制备1)在超酸溶剂中制备碳纳米管溶液；2)挤出溶液，得到挤出物；以 及3)使挤出物凝结，以除去超酸溶剂。对碳纳米管在超酸溶剂中的浓度加以选择，使溶液 处于液晶态。在一些实施方式中，在不暴露于大气的情况下，将溶液挤出到至少一种促凝剂 中。在一些实施方式中，在溶液通过气隙(air gap)后，将其挤出到至少一种促凝剂中。在 一些实施方式中，至少一种促凝剂与挤出物共流(co-flow)。在其他多种实施方式中，披露了包含对齐的纯碳纳米管的制品。所述制品通过包 含以下步骤的过程制备1)在超酸溶剂中制备碳纳米管溶液；2)挤出溶液，得到挤出物；以 及3)蒸发超酸溶剂。对碳纳米管在超酸溶剂中的浓度加以选择，使溶液处于液晶态。在多种实施方式中，提供了对已有的碳纳米管制品进行致密化的方法。所述方法 包括用氯磺酸处理制品，然后除去氯磺酸。已有碳纳米管制品选自纤维、阵列和鲱状结构 (alewives) 0上面较宽泛地概述了本专利技术的特征，以便于更好地理解下面的详细描述。本专利技术 的其他特征和优点将在下文描述，它们也构成权利要求的主题。附图说明为了更完整地理解本专利技术及其优点，可参考以下结合附图所作的描述，附图呈现了本专利技术的具体实施方式，其中图1显示单壁碳纳米管在氯磺酸中的液晶溶液的一个实施方式的偏光显微图像， 所述溶液的浓度范围是10重量％ -17重量％。图2显示示例性碳纳米管相图的一个实施方式。图3显示碳纳米管在氯磺酸和硫酸中的液晶溶液的实施方式的偏光显微图像和 SEM图像。图4显示单壁碳纳米管在氯磺酸中的液晶溶液的一个实施方式的偏光显微图像， 其中单壁碳纳米管长度约30 μ m。图5显示单壁碳纳米管在氯磺酸中的液晶溶液的一个实施方式的偏光显微图像， 其中碳纳米管长度约500 μ m。图6显示双壁碳纳米管在氯磺酸中的液晶溶液的一个实施方式的偏光显微图像， 其中双壁碳纳米管长度约30 μ m。图7显示短切单壁碳纳米管在氯磺酸中的10重量％液晶溶液的一个实施方式的 偏光显微图像。图8显示短切单壁碳纳米管在DMF和120%硫酸中的10重量％非液晶溶液的实施 方式的偏光显微图像。图9显示在10重量％短切单壁碳纳米管的氯磺酸溶液中长出的示例纤维的一个实施方式的SEM图像。图10显示从各种长度的碳纳米管长出的碳纳米管纤维的代表性示意实施方式。图11显示用于碳纳米管挤出物的湿喷射湿纺法(wet-jet wet spinning)的代表 性实施方式。图12显示用于碳纳米管挤出物的干喷射湿纺法(dry-jet wet spinning)的代表 性实验实施方式。图13显示通过湿喷射湿纺法和干喷射湿纺法制备的碳纳米管纤维的实施方式的 SEM图像。图14显示保持在气隙中的碳纳米管挤出物的凝结的实施方式。图15显示用于在共流促凝剂存在下制备碳纳米管挤出物的装置的实施方式。图16显示以共流的96%硫酸为促凝剂，自单壁碳纳米管在氯磺酸中的7重量％溶 液制备的碳纳米管挤出物的一个实施方式的SEM图像。图17显示以共流的PEG-200为促凝剂，自单壁碳纳米管在氯磺酸中的17重量％ 溶液制备的碳纳米管挤出物的一个实施方式的SEM图像。图18显示用于干纺碳纳米管挤出物的示例性装置的实施方式，它采用微波加热 法蒸发溶剂。图19显示以乙醚为促凝剂，自单壁碳纳米管在氯磺酸中的12重量％溶液制备的 单壁碳纳米管膜的一个实施方式。图20显示自单壁碳纳米管在氯磺酸中的10重量％溶液制备的短切单壁碳纳米管 膜的一个实施方式。图21显示碳纳米管加工所用混合机/挤出机的一个实施方式。图22显示碳纳米管加工所用的混合机/挤出机在其挤出机模式下操作的一个实 施方式。具体实施例方式为了便于透彻理解本文所披露的本专利技术实施方式，以下描述中给出了某些细节， 如具体数量、尺寸等。但对本领域的技术人员来说显而易见的是，本专利技术也可在不遵从这些 细节的情况下实施。在许多情况下，出于这样的及类似的考虑，本文略去了细节，因为这些 细节不是完整理解本说明书所必需的，而且它们是在相关领域的普通技术人员的技本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备包含对齐的纯碳纳米管的制品的方法，所述方法包括以下步骤：１）在超酸溶剂中制备碳纳米管溶液；其中，对碳纳米管在超酸溶剂中的浓度加以选择，使溶液处于液晶态；２）挤出溶液，得到挤出物；以及３）从挤出物中除去超酸溶剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M帕斯夸利，ANG帕伦瓦斯克斯，N贝哈布图，R布克，樊华，V戴维斯，W黄，HK施米特，MJ格林，CC扬，
申请(专利权)人：威廉马歇莱思大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]