本實用新型涉及納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一步制備碳納米管薄膜復(fù)合材料的制備裝置。

背景技術(shù)：

碳納米管（CNT），自1991年在高分辨率電鏡下發(fā)現(xiàn)以來，便引起了全世界的廣泛關(guān)注和極大的研究興趣。作為一種新型的納米材料，由于其獨特的幾何結(jié)構(gòu)與電子能帶結(jié)構(gòu)帶來了諸多優(yōu)異的性能如強度高、比表面大、熱傳導(dǎo)率高、載流子遷移率高等，這些優(yōu)異的性能使得碳納米管在眾多領(lǐng)域存在著巨大的應(yīng)用前景和潛力。

碳納米管薄膜是實現(xiàn)碳納米管廣泛應(yīng)用的一種重要的宏觀題形態(tài)，由大量碳納米管互相纏繞連接形成的厚度介于幾納米至微米毫米尺度幾十納米的宏觀薄膜材料，在電子、能源、智能傳感、復(fù)合材料、航空航天等重要領(lǐng)域的應(yīng)用研究已取得一定進(jìn)展。另一方面，鑒于當(dāng)前對于材料性能要求的不斷提高，需要在一種新材料中賦予和兼?zhèn)鋬煞N以上原有單一傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)勢性能，復(fù)合材料便應(yīng)運而生。

對于碳納米管薄膜復(fù)合材料而言，其包括高分子基體和碳納米管，該碳納米管以碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)的形式設(shè)置于高分子基體中。目前制備這種碳納米管薄膜復(fù)合材料的方法通常有兩種：第一種方法是將碳納米管粉體制備碳納米管/高分子基復(fù)合材料，分散過程中常用到強酸強堿或表面活性劑，在一定程度上會對原本完整的碳納米管結(jié)構(gòu)和長度造成破壞，且表面活性劑會殘留在碳納米管復(fù)合材料中難以去除，因此得到的碳納米管復(fù)合材料的機械性能和柔韌性不理想。例如：中國發(fā)明專利申請（公開號CN103172049A）公開了一種官能化碳納米管紙及其復(fù)合材料的制備方法，其技術(shù)方案是在-10~140℃下將碳納米管加入發(fā)煙硫酸中插層 0.1~96h，然后在溫度為-10~60℃、攪拌條件下經(jīng)硝酸氧化處理0.1h~480h后，用離心分離或納米濾膜過濾，經(jīng)去離子水洗滌至中性，即得官能化碳納米管；將官能化碳納米管自由分散于溶劑中，經(jīng)抽濾即得官能化碳納米管紙；最后將熱固性樹脂和官能化碳納米管紙通過樹脂預(yù)浸工藝、預(yù)浸料熱壓成型工藝或粉末成型工藝來實現(xiàn)碳納米管薄膜復(fù)合材料。該方法的缺陷是：（1）采用硫酸對碳納米管進(jìn)行預(yù)處理來實現(xiàn)分散，過程中對碳納米管的結(jié)構(gòu)會有一定程度的損傷；（2）制備后的碳納米管紙或薄膜結(jié)構(gòu)致密，與后續(xù)高分子基體（樹脂）難以完全浸潤，樹脂多覆蓋于碳納米管紙或薄膜表面，得到的復(fù)合材料不能充分發(fā)揮碳納米管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和樹脂的增強效果。第二種方法是將已制備好的的碳納米管薄膜采用浸泡、噴涂等方式與高分子基體復(fù)合，形成碳納米管復(fù)合材料預(yù)制體，再加壓加熱等方式處理該預(yù)制體使碳納米管薄膜與高分子基體復(fù)合形成碳納米管薄膜復(fù)合材料。例如中國發(fā)明專利（公開號CN101456277B）公開了一種碳納米管復(fù)合材料的制備方法，該方法包括以下步驟：制備一自支撐的碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)；提供一液態(tài)熱固性高分子材料；將所述液態(tài)熱固性高分子材料浸潤所述碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)；固化上述被液態(tài)熱固性高分子材料浸潤的碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)，得到一碳納米管復(fù)合材料。該方法的缺陷是：由于已成型的碳納米管薄膜自身的致密化程度很高，網(wǎng)絡(luò)空隙較少，而且高分子基體鏈段比較長，使得高分子基體不能很好地浸潤到碳納米管薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的缺陷增多，從而降低了復(fù)合材料的性能。這些缺陷的存在，嚴(yán)重降低了復(fù)合材料的可靠性、電學(xué)性能、耐水性、耐氣候性、耐化學(xué)性以及力學(xué)性能等。另外，上述兩種制備方法涉及設(shè)備多，步驟繁瑣，難以大規(guī)模工業(yè)化制備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在上述技術(shù)問題，本實用新型的目的在于提供一步制備碳納米管薄膜復(fù)合材料的制備裝置,以解決高分子基體在碳納米管薄膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的浸潤及滲透難題，并簡化了裝置和生產(chǎn)步驟,節(jié)省了時間。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供以下技術(shù)方案：

提供一步制備碳納米管薄膜復(fù)合材料的制備裝置，包括用于合成碳納米管聚集體的反應(yīng)室以及與所述反應(yīng)室連通的收集室，所述收集室設(shè)置有用于收集所述碳納米管聚集體的傳送帶，所述傳送帶可被驅(qū)動地沿閉合循環(huán)軌跡移動并且可沿傳動軸的軸向移動以使所述碳納米管聚集體層層疊加地纏繞于所述傳送帶的表面并形成厚度和寬度大小均可調(diào)的碳納米管薄膜；

所述收集室還設(shè)置有能夠使高分子基體對傳送帶上形成的碳納米管薄膜的表面進(jìn)行浸潤的浸潤部件以及配合所述傳送帶的施壓部件，高分子基體通過所述浸潤部件對碳納米管薄膜的表面進(jìn)行浸潤，同時所述施壓部件對碳納米管薄膜表面施壓以使碳納米管薄膜與高分子基體結(jié)合而形成致密的碳納米管薄膜復(fù)合材料；

所述收集室還設(shè)置有用于使所述碳納米管薄膜復(fù)合材料固化成型的加熱裝置。

優(yōu)選的，所述施壓部件和所述浸潤部件集成為具有中空結(jié)構(gòu)的輥輪，所述輥輪的表面開設(shè)有孔，高分子基體能夠從所述孔中流出并對傳送帶上形成的碳納米管薄膜的表面進(jìn)行浸潤，同時所述輥輪對碳納米管薄膜表面滾壓以使碳納米管薄膜與高分子基體充分結(jié)合而形成致密的碳納米管薄膜復(fù)合材料。

優(yōu)選的，所述施壓部件為滾壓裝置，所述浸潤部件為噴淋裝置或者涂布裝置。

更優(yōu)選的，所述施壓部件活動連接于所述收集室以使所述施壓部件與所述傳送帶之間的壓力可調(diào)節(jié)。

更優(yōu)選的，沿傳動軸軸向，所述施壓部件的寬度大于所述碳納米管薄膜的寬度。

更優(yōu)選的，所述傳送帶和所述滾壓裝置的表面均包覆有聚四氟乙烯材料層。

更優(yōu)選的，所述傳送帶和所述滾壓裝置均由聚四氟乙烯加工成型。

優(yōu)選的，所述反應(yīng)室設(shè)置有原料進(jìn)口和載氣進(jìn)口。反應(yīng)物由原料進(jìn)口注入反應(yīng)室，同時載氣由載氣進(jìn)口通入反應(yīng)室，反應(yīng)物在反應(yīng)室內(nèi)生成碳納米管聚集體，并在載氣的作用下進(jìn)入收集室被收集。

本實用新型的有益效果：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型中的碳納米管薄膜復(fù)合材料的制備裝置具有以下優(yōu)點：

（1）本實用新型的碳納米管薄膜直接通過傳送帶收集碳納米管聚集體并在傳送帶表面形成的，省去了現(xiàn)有技術(shù)對碳納米管進(jìn)行預(yù)處理來實現(xiàn)分散的表面處理過程，從而避免了對碳納米管結(jié)構(gòu)的破壞；

（2）在收集過程中，每一層碳納米管薄膜均與高分子基體直接浸潤，解決了碳納米管薄膜成型后的致密結(jié)構(gòu)不利于高分子基體滲透的技術(shù)難題，使碳納米管相互連接的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得已充分利用，其中高分子基體在碳納米管與管束之間均勻包覆，良好浸潤并能夠很好地填充三維網(wǎng)絡(luò)間隙；加之施壓部件在碳納米管薄膜層層堆疊過程中的持續(xù)壓力使形成的碳納米管復(fù)合材料更加致密；再通過后續(xù)的加熱裝置，使得在收集過程中高分子基體即固定在碳納米管及其管束周圍避免溶液流動脫落，讓每一根碳納米管都能與高分子基體充分結(jié)合，從而使最終制備的碳納米管薄膜復(fù)合材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等綜合性能得到顯著提高；

（3）利用本實用新型的制備裝置，一步即可完成對碳納米管薄膜復(fù)合材料的制備，制備方法簡單、適用性廣、成本低廉，節(jié)省了繁瑣的步驟，并簡化了制造設(shè)備，具有適合大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為實施例1的一步制備碳納米管薄膜復(fù)合材料的制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實施例1的一步制備碳納米管薄膜復(fù)合材料的制備裝置的輥輪的結(jié)構(gòu)示意圖

附圖標(biāo)記：

反應(yīng)室1、收集室2、傳送帶3、主動輪4、從動輪5、輥輪6、孔61、加熱裝置7、碳納米管聚集體8、支撐臂9。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例及附圖對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

實施例1：

一步制備碳納米管薄膜復(fù)合材料的制備裝置，如圖1所示，包括用于合成碳納米管聚集體8的反應(yīng)室1以及與反應(yīng)室1連通的收集室2。反應(yīng)室1可以設(shè)置為立式或臥室反應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)，采用浮動催化化學(xué)氣相沉積法合成碳納米管聚集體8，反應(yīng)室1設(shè)置有原料進(jìn)口和載氣進(jìn)口，反應(yīng)物由原料進(jìn)口注入反應(yīng)室1，同時載氣由載氣進(jìn)口通入反應(yīng)室1，反應(yīng)物在反應(yīng)室1內(nèi)生成碳納米管聚集體8，碳納米管聚集體8在載氣的作用下進(jìn)入收集室2被收集。

收集室2設(shè)置有用于收集碳納米管聚集體8的傳送帶3，反應(yīng)室1合成的碳納米管聚集體8進(jìn)入收集室2并沉積在傳送帶3上，傳送帶3通過主動輪4和從動輪5張緊連接，主動輪4的傳動軸連接電機（圖中未表示出）。收集過程中，電機驅(qū)動主動輪4勻速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動傳送帶3沿閉合循環(huán)軌跡移動，使碳納米管聚集體8層層疊加地纏繞于傳送帶3的表面并形成一定厚度的碳納米管薄膜。每層碳納米管薄膜的厚度僅僅為幾個納米的厚度（如1~9nm）。傳動軸可被控制地沿軸向移動，進(jìn)而帶動傳送帶3沿軸向移動，以實現(xiàn)在軸向上對不同寬度的碳納米管薄膜的收集。

收集室2還設(shè)置有能夠使高分子基體對傳送帶3上形成的碳納米管薄膜的表面進(jìn)行浸潤的浸潤部件以及配合傳送帶3的施壓部件，高分子基體通過浸潤部件對碳納米管薄膜的表面進(jìn)行浸潤，同時施壓部件配合傳送帶3對碳納米管薄膜表面施壓以使碳納米管薄膜與高分子基體結(jié)合而形成致密的碳納米管薄膜復(fù)合材料。浸潤部件和施壓部件設(shè)置在靠近傳送帶3的收集端。

本實施例中，如圖2所示，施壓部件和浸潤部件集成為具有中空結(jié)構(gòu)的輥輪6，輥輪6的表面開設(shè)有孔，孔的數(shù)量優(yōu)選是多個，多個孔均勻分布在輥輪6表面。輥輪6連接注射器，將預(yù)先配置好的高分子基體注入到輥輪6中，然后高分子基體能夠從孔中流出并對傳送帶3上形成的碳納米管薄膜的表面進(jìn)行浸潤，同時輥輪6配合傳送帶3對碳納米管薄膜表面滾壓以使碳納米管薄膜與高分子基體充分結(jié)合而形成致密的碳納米管薄膜復(fù)合材料。

輥輪6通過支撐臂9活動連接于收集室2頂部，輥輪6與傳送帶3的間距可調(diào)，以使輥輪6與傳送帶3之間的壓力可調(diào)節(jié)。

沿傳動軸的軸向（即垂直于圖1所在平面的方向），輥輪6的寬度大于單層碳納米管薄膜的寬度，以使每一層碳納米管薄膜的表面均勻且充分地與高分子基體結(jié)合。

傳送帶3和輥輪6的表面均包覆有聚四氟乙烯材料層，或者傳送帶3和輥輪6均由聚四氟乙烯加工成型，以降低碳納米管薄膜與傳送帶3或輥輪6表面之間的范德華作用力，也可以采用其他具有同等作用的材料層。

本實施中，收集室2還設(shè)置有用于使碳納米管薄膜復(fù)合材料固化成型的加熱裝置7。加熱裝置7可根據(jù)不同高分子基體固化成型的條件不同而任意調(diào)節(jié)溫度和時間。加熱裝置7至少有一個，可以設(shè)置在收集箱尾部（圖1中遠(yuǎn)離收集端的一側(cè)）或其他位置，加熱裝置7可以為單面板、上下面板、半封閉箱體等形態(tài)。

本實用新型的制備裝置解決了現(xiàn)有技術(shù)高分子基體在碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)中的浸潤和滲透難題，最終得到的碳納米管薄膜復(fù)合材料中，高分子基體在碳納米管與管束之間均勻包裹，良好浸潤并填充至碳納米管相互連接的三維網(wǎng)絡(luò)間隙中，從而使碳納米管薄膜復(fù)合材料的綜合性能得到顯著提高。

實施例2：

一步制備碳納米管薄膜復(fù)合材料的制備裝置，本實施例的主要技術(shù)方案與實施例1的相同，不同之處在于：

施壓部件為輥輪或其他形式的滾壓裝置，浸潤部件為噴淋裝置，噴淋裝置連接用于盛放高分子基體的容器。

收集過程中，高分子基體通過噴淋裝置噴淋于納米薄膜的表面進(jìn)行浸潤，同時滾壓裝置配合傳送帶3對碳納米薄膜碳納米管薄膜表面滾壓以使碳納米薄膜碳納米管薄膜與高分子基體結(jié)合而形成致密的碳納米管薄膜復(fù)合材料。

實施例3：

一步制備碳納米管薄膜復(fù)合材料的制備裝置，本實施例的主要技術(shù)方案與實施例1的相同，不同之處在于：

施壓部件為輥輪或其他形式的滾壓裝置，浸潤部件為涂布裝置，高分子基體通過涂布裝置涂布于納米薄膜的表面進(jìn)行浸潤，同時滾壓裝置配合傳送帶3對碳納米薄膜碳納米管薄膜表面滾壓以使碳納米薄膜碳納米管薄膜與高分子基體結(jié)合而形成致密的碳納米管薄膜復(fù)合材料。

實施例4：

如圖1和圖2所示，采用實施例1至實施例3的制備裝置進(jìn)行一步制備碳納米管薄膜復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

a）將反應(yīng)物注入反應(yīng)室1，同時通入載氣，反應(yīng)物在1100-1600℃的的恒溫下反應(yīng)生成碳納米管聚集體8。具體的，采用浮動催化化學(xué)氣相沉積法合成碳納米管聚集體8，反應(yīng)物包括碳源、催化劑、促進(jìn)劑；

b）步驟a生成的碳納米管聚集體8在載氣的作用下進(jìn)入收集室2，并沉積在傳送帶3上，隨著傳送帶3的移動，碳納米管聚集體8纏繞在傳送帶3的表面而形成具有一定厚度的單層碳納米管薄膜，并通過調(diào)整傳送帶3沿傳動軸的軸向移動距離，得到具有一定寬度的單層碳納米管薄膜；

c）將配置好的高分子基體通過浸潤部件對步驟b得到的單層碳納米管薄膜表面進(jìn)行浸潤，同時施壓部件與傳送帶3貼合并隨著傳送帶3的移動對碳納米管薄膜進(jìn)行施壓，以使碳納米管薄膜與高分子基體進(jìn)一步結(jié)合而形成致密的單層碳納米管薄膜復(fù)合材料；

d）將步驟c得到的單層碳納米管薄膜復(fù)合材料經(jīng)過加熱裝置7加熱固化成型。

e）隨著傳送帶3沿閉合循環(huán)軌跡的移動，經(jīng)過一定時間的層層疊加，最終得到厚度和面積大小可調(diào)的碳納米管薄膜復(fù)合材料。

在層層疊加的收集過程中，每一層碳納米管薄膜均與高分子基體直接浸潤，解決了碳納米管薄膜成型后的致密結(jié)構(gòu)不利于高分子基體滲透的技術(shù)難題，使碳納米管相互連接的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得已充分利用，其中高分子基體在碳納米管與管束之間均勻包覆，良好浸潤并能夠很好地填充三維網(wǎng)絡(luò)間隙；加之施壓部件在碳納米管薄膜層層堆疊過程中的持續(xù)壓力使形成的碳納米管復(fù)合材料更加致密；再通過后續(xù)的加熱裝置7，使得在收集過程中高分子基體即固定在碳納米管及其管束周圍避免溶液流動脫落，讓每一根碳納米管都能與高分子基體充分結(jié)合，從而使最終制備的碳納米管薄膜復(fù)合材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等綜合性能得到顯著提高。

優(yōu)選的，步驟a中，碳源為甲醇、乙醇、異丙醇中的至少一種；

催化劑為二茂鐵和二茂鎳中的至少一種，其占反應(yīng)物總質(zhì)量的0.1-3%；

促進(jìn)劑為噻吩和硫單質(zhì)中的至少一種，其占反應(yīng)物總質(zhì)量的0.1-3%。

載氣為氫氣、氮氣或者氫氣和惰性氣體的混合氣體，其中氫氣的體積百分比為10~100%，惰性氣體為氬氣或氦氣；載氣的氣體流量為1~10L/min。

優(yōu)選的，高分子基體為熱固性或熱塑性樹脂。若高分子基體常溫下流動性良好則不用加入溶劑，若高分子基體常溫下流動性不好則需加入有機溶劑來溶解以增加高分子基體的流動性，且有機溶劑為可揮發(fā)性溶劑，可選的溶劑為乙醇、甲醇、丙酮或者二氯乙烷，或者其他類型的可揮發(fā)性溶劑。

優(yōu)選的，步驟d中，加熱固化溫度為110~130℃。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案，而非對本實用新型保護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型作了詳細(xì)地說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本實用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術(shù)方案的實質(zhì)和范圍。