本發(fā)明涉及一種碳納米管薄膜，更具體地說，涉及一種具有高強(qiáng)度等力學(xué)性能的復(fù)合碳納米管薄膜、其制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1991年，日本科學(xué)界lijima首次發(fā)現(xiàn)了碳納米管(Carbon Nanotube,CNT)，碳納米管是一種由sp2雜化的碳原子組成管狀共軛結(jié)構(gòu)。碳納米管的特殊結(jié)構(gòu)使得其具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等功能特性，并引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛研究。近年來(lái)，隨著人們對(duì)碳納米管及其納米材料的研究的深入，碳納米管及相關(guān)材料在很多領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，如結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料、發(fā)光材料、污水處理材料、傳感器、太陽(yáng)能電池等。

碳納米管薄膜是碳納米管在應(yīng)用中的一種重要形式，碳納米管薄膜具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的力學(xué)性能，并且擁有碳納米管的多種功能特性，同時(shí)，巨大的比表面積和空隙率是的碳納米管薄膜成為優(yōu)異的載體材料。然而在傳統(tǒng)的碳納米管薄膜中，碳納米管之間僅存在微弱的分子間相互作用力，因此在承受載荷時(shí)不能夠很好的傳遞載荷，從而導(dǎo)致碳納米管薄膜的力學(xué)性能并未達(dá)到理論預(yù)期水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種高強(qiáng)度碳納米管薄膜、其制備方法及應(yīng)用，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。

為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括：

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案之中提供了一種高強(qiáng)度碳納米管薄膜，其包括由碳納米管構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)以及分布于所述網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)中的聚多巴胺。

進(jìn)一步的，在所述薄膜中，至少部分碳納米管表面修飾有聚多巴胺，同時(shí)至少部分碳納米管之間還經(jīng)聚多巴胺連接。

在一較為優(yōu)選的實(shí)施方案之中，所述薄膜包含40wt％～80wt％碳納米管和1wt％～40wt％聚多巴胺。

進(jìn)一步的，所述薄膜的厚度在1μm以上，抗拉伸強(qiáng)度在80Mpa以上。

其中，所述碳納米管可選自但不限于單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管以及各類合適的碳納米管衍生物。

其中，碳納米管長(zhǎng)度可以為1～800μm，優(yōu)選為200μm～600μm。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案之中還提供了一種制備所述高強(qiáng)度碳納米管薄膜的方法，其包括：

將碳納米管分散在選定溶劑中，形成均勻穩(wěn)定的碳納米管分散液；

在所述碳納米管分散液中加入緩沖物質(zhì)形成緩沖體系，再加入多巴胺單體并均勻混合，且使多巴胺發(fā)生自聚合，從而形成碳納米管/聚多巴胺分散液；

對(duì)所述碳納米管/聚多巴胺分散液進(jìn)行成膜處理，獲得所述碳納米管薄膜。

在一較為優(yōu)選的實(shí)施方案之中，所述碳納米管分散液的濃度為0.01-10mg/mL。

進(jìn)一步的，前述選定溶劑可選自業(yè)界所知的各類合適有機(jī)溶劑、無(wú)機(jī)溶劑，例如水、乙醇或其混合物等。

在一較為優(yōu)選的實(shí)施方案之中，所述碳納米管分散液還含有分散劑，用以輔助促進(jìn)碳納米管的分散，其中所述分散劑可包括但不限于聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、曲拉通、十二烷基苯磺酸鈉中的任一種或兩種以上的組合。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，所述碳納米管分散液可以是通過超聲分散法、高壓均質(zhì)法或高速攪拌法中的一種或多種同時(shí)處理而形成的包含有碳納米管、溶劑和分散劑的混合液體；

在一較為優(yōu)選的實(shí)施方案之中，所述緩沖體系的pH值為7～9，優(yōu)選為8.5。

在一較為優(yōu)選的具體實(shí)施方案之中，所述緩沖物質(zhì)包括三羥甲基氨基甲烷以及酸，其中酸可以選自鹽酸等常見酸。

在一較為優(yōu)選的實(shí)施方案之中，在多巴胺單體與所述緩沖體系形成的混合體系中，多巴胺單體的濃度為1wt％-40wt％。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明中多巴胺單體可以來(lái)源于多巴胺鹽酸鹽等或業(yè)界常用的其它合適物質(zhì)。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明中采用的成膜處理方式可以是過濾(例如抽濾)、涂覆、澆筑等，但優(yōu)選采用抽濾方式，尤其優(yōu)選真空抽濾方式。

在一較為優(yōu)選的具體實(shí)施方案之中，所述制備方法具體包括：

對(duì)所述碳納米管/聚多巴胺分散液進(jìn)行抽濾，特別是真空抽濾處理，獲得碳納米管薄膜初成品；

以及，對(duì)所述碳納米管薄膜初成品進(jìn)行干燥處理，之后在20℃～200℃、1Mpa～10Mpa壓縮1h～10h，獲得碳納米管薄膜成品。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明中采用的抽濾、真空抽濾條件可以是業(yè)界常用的。

本發(fā)明還提供了所述高強(qiáng)度碳納米管的用途，例如在光、電、新材料(特別是在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域)或其它領(lǐng)域的用途。

在一實(shí)施案例中，提供了一種設(shè)備，其包含所述的高強(qiáng)度碳納米管薄膜。該設(shè)備可以是光、電元件或其它元件(例如自支撐過濾元件)或應(yīng)用到此類元件的組合設(shè)備。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果至少在于：提供了一種具有高力學(xué)性能的碳納米管薄膜，其形態(tài)均一，拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能較傳統(tǒng)的納米管薄膜有大幅度的提升，并且制備工藝簡(jiǎn)單，易于槽孔，同時(shí)聚多巴胺等原料來(lái)源廣泛，廉價(jià)易得價(jià)格低廉，適于大規(guī)模生產(chǎn)，有利于碳納米管薄膜在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中碳納米管/聚多巴胺薄膜的透射電鏡照片；

圖2是本發(fā)明的實(shí)施例1及比較例1制備的碳納米管薄膜的拉伸曲線對(duì)照?qǐng)D；

圖3是利用實(shí)施例1制備的碳納米管/聚多巴胺薄膜進(jìn)行污水處理的照片。

具體實(shí)施方式

如前所述，鑒于現(xiàn)有碳納米管薄膜產(chǎn)品的不足，本案發(fā)明人進(jìn)行了長(zhǎng)期研究和大量實(shí)踐，以期能尋找到相應(yīng)的解決方案。在研究過程中，本案發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在碳納米管分散液中添加多巴胺單體并使誘導(dǎo)其聚合后，再以形成的混合體系成膜而獲得的碳納米管薄膜具有遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有碳納米管膜的力學(xué)性能，特別是抗拉伸性能。這一發(fā)現(xiàn)非常令人意外和驚喜。

而基于這一意外發(fā)現(xiàn)，本案發(fā)明人得以提出本發(fā)明的技術(shù)方案，即，提出了一種高強(qiáng)度碳納米管薄膜及其制備方法。

具體而言，本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種高力學(xué)性能碳納米管薄膜的制備方法。在一實(shí)施方案之中，其可包括：將碳納米管分散在溶劑中，形成均勻穩(wěn)定的碳納米管分散液；然后將分散液配制成緩沖溶液，加入多巴胺單體，攪拌均勻，使多巴胺發(fā)生自聚合，從而形成碳 納米管/聚多巴胺分散液；最后通過抽濾等成膜方式使該分散液制備成薄膜。

特別是，在一較為典型的具體實(shí)施方案之中，該方法可以包括：在溶劑中分散(例如超聲振蕩、高壓均質(zhì)或強(qiáng)烈攪拌)碳納米管為均勻穩(wěn)定的分散液(優(yōu)選為碳納米管的水分散液)，然后將碳納米管分散液配制成緩沖液，并調(diào)節(jié)緩沖液pH值為7～9(優(yōu)選為pH值＝8.5)，加入多巴胺鹽酸鹽，從而可以獲得由碳納米管和聚多巴胺構(gòu)成的所需分散液，所配制的碳納米管/聚多巴胺分散液可以通過例如真空抽濾而獲得薄膜。

而相應(yīng)的，本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了一種高力學(xué)性能的碳納米管薄膜。

下面參照附圖及典型實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，這樣的描述僅用于具體說明發(fā)明的目的，而不應(yīng)對(duì)本發(fā)明構(gòu)成任何限制。又及，以下實(shí)施例中的％，若非特別說明則均為wt％。

實(shí)施例1碳納米管/聚多巴胺薄膜的制備：

常溫條件下，稱量10份(重量份，下同)碳納米管和4份聚乙烯吡咯烷酮，加入200份去離子水，高壓均質(zhì)分散1～60min(優(yōu)選為30min)，得到碳納米管分散液。

常溫條件下，稱量121份三羥甲基氨基甲烷，加入到所述碳納米管分散液中，加入37％鹽酸，調(diào)節(jié)分散液的pH值在7～9，優(yōu)選為8.5，再加入0.5～10份多巴胺鹽酸鹽，攪拌1～6h(優(yōu)選為2h)。

通過真空抽濾獲得半濕碳納米管/聚多巴胺薄膜，常溫空氣中干燥48h以上，干燥后將所獲碳納米管/聚多巴胺薄膜從濾紙上剝離，并在20℃～200℃、1Mpa～10Mpa壓縮1h～10h，優(yōu)選為50℃～150℃、5Mpa～8Mpa壓縮2h～6h，更優(yōu)選為100℃、8Mpa壓縮2h，獲得目標(biāo)碳納米管/聚多巴胺薄膜。

本實(shí)施例1制備的一種典型碳納米管/聚多巴胺薄膜樣品的形貌如圖1所示。而以IR光譜對(duì)實(shí)施例1所獲的碳納米管/聚多巴胺薄膜進(jìn)行測(cè)試，并將所獲圖譜與聚多巴胺的標(biāo)準(zhǔn)IR圖譜比對(duì)，可以發(fā)現(xiàn)這些薄膜中含有聚多巴胺。

另外，本實(shí)施例1制備的一些典型碳納米管/聚多巴胺薄膜樣品(采用的多巴胺鹽酸鹽分別為1、5、10份)的拉伸性能如圖2所示(分別對(duì)應(yīng)于圖2中的“碳納米管/聚多巴胺(1)薄膜”、“碳納米管/聚多巴胺(5)薄膜”、“碳納米管/聚多巴胺(10)薄膜”)。

比較例1傳統(tǒng)碳納米管薄膜的制備：

稱量10份碳納米管和4份聚乙烯吡咯烷酮，加入200份水，高壓均質(zhì)分散1～60min(優(yōu)選為30min)，得到碳納米管分散液。

通過真空抽濾獲得半濕碳納米管薄膜，常溫空氣中干燥48h以上。干燥后，將碳納米管薄膜從濾紙上剝離，并在溫度為20℃～200℃、1Mpa～10Mpa壓縮1h～10h，優(yōu)選為50℃～150℃、5Mpa～8Mpa壓縮2h～6h，更優(yōu)選為100℃、8Mpa壓縮2h，獲得目標(biāo)碳納米管薄膜。

比較例1與實(shí)施例1的區(qū)別主要在于，所制備的薄膜中含有聚多巴胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多少，在實(shí)施例1中碳納米管分散液中添加有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多巴胺單體，并進(jìn)行了聚合，而比較例1中碳納米管分散液中未加入多巴胺單體。

該比較例1制備的碳納米管薄膜的拉伸性能如圖2所示(圖2中的“碳納米管薄膜”)。

顯然，從圖2所示的結(jié)果可以看出，本發(fā)明碳納米管/聚多巴胺薄膜的力學(xué)性能與傳統(tǒng)碳納米管薄膜相比有非常大幅度的提升。此外，碳納米管/聚多巴胺薄膜的力學(xué)性能隨加入聚多巴胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化而變化，可根據(jù)目標(biāo)薄膜應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行調(diào)控。

應(yīng)用例1碳納米管/聚多巴胺薄膜在污水處理中的應(yīng)用

配制亞甲基藍(lán)水溶液，將圖1所示的碳納米管/聚多巴胺薄膜作為過濾膜對(duì)亞甲基藍(lán)溶液進(jìn)行過濾，結(jié)果如圖3所示?？梢娎迷撎技{米管/聚多巴胺薄膜過濾后，亞甲基藍(lán)溶液顏色由深藍(lán)色變?yōu)闊o(wú)色，表明所制備的碳納米管/聚多巴胺薄膜具有優(yōu)異的吸附性。再加上所制備的碳納米管/聚多巴胺薄膜優(yōu)異的力學(xué)性能，該薄膜在可自支撐的過濾膜領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。