多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體及其制作方法
【專利摘要】多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體，該宏觀體中的碳納米管膜層包括厚膜層、薄膜層，厚膜層的排布形式是兩兩相互間隔、呈橫排分布，相鄰的兩個厚膜層之間設(shè)置有多個兩兩相互間隔、呈豎列分布的薄膜層，相鄰的兩個厚膜層與其內(nèi)部的薄膜層一同圍成多個相互間隔、呈豎列分布的孔道。制作時，先向分散均勻的碳納米管分散液中加入高分子材料并攪拌均勻，再置于模具中成型以得到成型體，然后將成型體置于液氮中浸泡0.5–4h進(jìn)行冷凍以得到冷凍體，最后將冷凍體置于真空環(huán)境下干燥以得到本宏觀體。本設(shè)計(jì)不僅能制作出內(nèi)部孔道有序排列的宏觀體，而且應(yīng)用范圍較廣。
【專利說明】多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種宏觀體及其制備方法，屬于納米材料新結(jié)構(gòu)制備【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體及其制作方法，具體適用于制作出內(nèi)部孔道有序排列的宏觀體。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管是由石墨層卷曲成的無縫納米管，這種獨(dú)特的一維納米纖維材料具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和多功能特性，在催化劑載體、生物傳感器、能量儲存、過濾膜等領(lǐng)域有巨大潛在應(yīng)用，將碳管組裝成三維宏觀體結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)其眾多應(yīng)用的必經(jīng)步驟。
[0003]申請?zhí)枮?01210489960.X，
【公開日】為2013年2月20日的發(fā)明專利申請公開了一種蜂窩狀碳納米管宏觀體及其制備方法，該蜂窩狀碳納米管宏觀體含兩級孔結(jié)構(gòu)，一級是分布在幾十微米的微米孔，一級是分布在幾十納米的納米孔，但這兩級孔都呈三維無規(guī)則堆積，導(dǎo)致該宏觀內(nèi)部形成的孔處于無序、雜亂狀態(tài)，無法形成有序的孔道，因而在某些方面無法滿足實(shí)際使 用要求，例如應(yīng)用在需要?dú)饬餮卮呋瘎┹d體某個確定向的進(jìn)入/流出
坐寸ο

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的宏觀體內(nèi)無法存在有序孔道的缺陷與問題，提供一種宏觀體內(nèi)存在有序孔道的多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體及其制作方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體，該宏觀體包括多個碳納米管膜層，且碳納米管膜層內(nèi)含有多根碳納米管；
所述碳納米管膜層包括厚膜層與薄膜層，厚膜層厚于薄膜層，多個厚膜層的排布形式是兩兩相互間隔、呈橫排分布，相鄰的兩個厚膜層之間設(shè)置有多個兩兩相互間隔、呈豎列分布的薄膜層，相鄰的兩個厚膜層的內(nèi)壁分別與其內(nèi)部薄膜層的上下兩邊相連接，相鄰的兩個厚膜層與其內(nèi)部的薄膜層一同圍成多個相互間隔、呈豎列分布的孔道，該孔道的延伸方向與構(gòu)成其側(cè)壁的薄膜層的延伸方向相同。
[0006]所述孔道的徑寬為1000納米-100微米。
[0007]所述碳納米管膜層的厚度為1000納米-10微米，且碳納米管膜層上含有多個尺寸為5 - 200nm的納米孔。
[0008]所述碳納米管膜層由純碳納米管組成或由碳納米管、高分子復(fù)合材料組成；
所述碳納米管是單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管；
所述高分子材料是甲基纖維素、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯吡咯烷酮。
[0009]一種上述多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體的制作方法，所述制作方法包括以下步驟:
先向分散均勻的碳納米管分散液中加入高分子材料，加入后，再攪拌混合均勻以獲得混合分散液，然后將混合分散液置于模具中成型以得到成型體，再將成型體置于液氮中浸泡0.5 - 4h進(jìn)行冷凍以得到冷凍體，然后將冷凍體置于真空環(huán)境下干燥，干燥后即可制得所述多膜層相間隔成多個規(guī)則排列的孔道的宏觀體。
[0010]所述成型體置于液氮中的浸泡時間是2h。
[0011]所述碳納米管分散液的濃度為lwt% - 10wt%，所述高分子材料的質(zhì)量為碳納米管分散液的O - 20wt%。
[0012]所述碳納米管分散液是水性或油性分散液，且當(dāng)碳納米管分散液為油性分散液時，分散液溶劑為乙醇、丙酮或甲基吡咯烷酮中的至少一種。
[0013]所述高分子材料加入后的攪拌速度是1000r/min。
[0014]所述宏觀體的形狀由成型體決定；所述宏觀體的形狀為規(guī)則形狀或不規(guī)則形狀。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:
1、本發(fā)明多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體及其制作方法所制作的宏觀體內(nèi)的碳納米管膜層分成厚膜層、薄膜層兩種，其中，厚膜層兩兩間隔、呈橫排分布，同時，在每相鄰的兩個厚膜層之間設(shè)置有多個兩兩相互間隔、呈豎列分布的薄膜層，且相鄰的兩個厚膜層的內(nèi)壁分別與其內(nèi)部薄膜層的上下兩邊相連接，此時，相鄰的兩個厚膜層與其內(nèi)部的薄膜層就一同圍成多個相互間隔、呈豎列分布的孔道，每兩個相鄰的兩個厚膜層之間都形成有這種規(guī)則排列的孔道，以致整個宏觀體的內(nèi)部形成有層層分布、每層呈豎列分布的多孔道結(jié)構(gòu)，十分有序，該種結(jié)構(gòu)非常利于引導(dǎo)氣流沿固定方向進(jìn)入/流出，從而擴(kuò)大本宏觀體的應(yīng)用范圍。因此，本發(fā)明制作出的宏觀體內(nèi)形成有多層有序孔道，應(yīng)用范圍較廣。
[0016]2、本發(fā)明多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體及其制作方法在制作宏觀體時，依次經(jīng)歷混合分散液、成型體、冷凍體、宏觀體這四個步驟，其中，成型體置于液氮中浸泡0.5 - 4h進(jìn)行冷凍以得到冷凍體是關(guān)鍵，該步驟能讓液體迅速變?yōu)榻Y(jié)晶體，從而形成本宏觀體獨(dú)特的內(nèi)部多孔道有序排列的結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明能夠制作出內(nèi)部孔道有序排列的宏觀體。
[0017]3、本發(fā)明多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體及其制作方法所制作的宏觀體的形狀與成型體類似，即由模具決定，其形狀多樣，既可以是規(guī)則形狀，也可以是不規(guī)則形狀，大大擴(kuò)大了本發(fā)明的應(yīng)用范圍。因此，本發(fā)明的應(yīng)用范圍較廣。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明中宏觀體切面的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是實(shí)施例1中宏觀體的照片。
[0020]圖3是實(shí)施例1中宏觀體的斷面掃描電鏡照片。
[0021 ] 圖4是圖3的放大掃描電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0023]參見圖1 -圖4，多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體，該宏觀體包括多個碳納米管膜層，且碳納米管膜層內(nèi)含有多根碳納米管；
所述碳納米管膜層包括厚膜層與薄膜層，厚膜層厚于薄膜層，多個厚膜層的排布形式是兩兩相互間隔、呈橫排分布，相鄰的兩個厚膜層之間設(shè)置有多個兩兩相互間隔、呈豎列分布的薄膜層，相鄰的兩個厚膜層的內(nèi)壁分別與其內(nèi)部薄膜層的上下兩邊相連接，相鄰的兩個厚膜層與其內(nèi)部的薄膜層一同圍成多個相互間隔、呈豎列分布的孔道，該孔道的延伸方向與構(gòu)成其側(cè)壁的薄膜層的延伸方向相同。
[0024]所述孔道的徑寬為1000納米-100微米。
[0025]所述碳納米管膜層的厚度為1000納米-10微米，且碳納米管膜層上含有多個尺寸為5 - 200nm的納米孔。
[0026]所述碳納米管膜層由純碳納米管組成或由碳納米管、高分子復(fù)合材料組成；
所述碳納米管是單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管；
所述高分子材料是甲基纖維素、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯吡咯烷酮。
[0027]—種上述多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體的制作方法，所述制作方法包括以下步驟:
先向分散均勻的碳納米管分散液中加入高分子材料，加入后，再攪拌混合均勻以獲得混合分散液，然后將混合分散液置于模具中成型以得到成型體，再將成型體置于液氮中浸泡0.5 - 4h進(jìn)行冷凍以得到冷凍體，然后將冷凍體置于真空環(huán)境下干燥，干燥后即可制得所述多膜層相間隔成多個規(guī)則排列的孔道的宏觀體。
[0028]所述成型體置于液氮中的浸泡時間是2h。
[0029]所述碳納米管分散液的濃度為lwt% - 10wt%，所述高分子材料的質(zhì)量為碳納米管分散液的O - 20wt%。
[0030]所述碳納米管分散液是水性或油性分散液，且當(dāng)碳納米管分散液為油性分散液時，分散液溶劑為乙醇、丙酮或甲基吡咯烷酮中的至少一種。
[0031]所述高分子材料加入后的攪拌速度是1000r/min。
[0032]所述宏觀體的形狀由成型體決定；所述宏觀體的形狀為規(guī)則形狀或不規(guī)則形狀。
[0033]本發(fā)明的原理說明如下:
1、規(guī)則排列的孔道:
參見圖1、圖3與圖4，本發(fā)明制作的宏觀體包括多個碳納米管膜層，碳納米管膜層包括厚膜層與薄膜層，厚膜層厚于薄膜層。厚膜層的排布形式是兩兩相互間隔、呈橫排分布，薄膜層的排布形式則是:在每相鄰的兩個厚膜層之間的薄膜層才是兩兩相互間隔、呈豎列分布，而且相鄰的兩個厚膜層的內(nèi)壁分別與其內(nèi)部薄膜層的上下兩邊相連接。此時，相鄰的兩個厚膜層與其內(nèi)部的薄膜層就能一同圍成多個相互間隔、呈豎列分布的孔道，該孔道的延伸方向與構(gòu)成其側(cè)壁的薄膜層的延伸方向相同。推而廣之，宏觀體內(nèi)先由厚膜層兩兩相隔，被分成層層結(jié)構(gòu)，然后在每層內(nèi)部，又由薄膜層與厚膜層合力圍成兩兩相互間隔、呈豎列分布的孔道，從而使得整個宏觀體內(nèi)形成層層分布、每層呈豎列分布的多孔道結(jié)構(gòu)。該種獨(dú)特的宏觀體利于使物質(zhì)沿確定的方向流動，更接近實(shí)際使用要求，例如，本宏觀體用于燃料電池催化劑載體時，可設(shè)計(jì)氣流沿催化劑載體某個確定向的進(jìn)入/流出，從而達(dá)到可控的目的。
[0034]2、快速冷卻:
本發(fā)明中冷凍體的獲得是將成型體置于液氮中浸泡0.5 - 4h進(jìn)行冷凍以得。這個液體快速冷卻的過程是本發(fā)明形成獨(dú)特結(jié)構(gòu)的核心，在這個過程中，液體迅速變成冰晶，速率越快，冰晶尺寸越小，越有利于形成有序孔道結(jié)構(gòu)。
[0035]0.5 - 4h的浸泡時間:時間短了不能冷凍，時間長了晶粒尺寸會長大，不能得到有序孔道結(jié)構(gòu)。
[0036]3、原料作用:
碳納米管分散液的濃度為lwt%_ 10wt%:低于這個范圍，碳納米管相互支持難以形成整體的宏觀體，高于這個范圍，碳納米管分散受到限制。
[0037]高分子材料:粘結(jié)碳納米管，提高宏觀體的材料強(qiáng)度。
[0038]高分子材料的質(zhì)量為碳納米管分散液的O - 20wt%:在該范圍內(nèi)，能夠在盡量降低高分子含量(越多越難以分散)、且要兼顧宏觀體強(qiáng)度之間達(dá)到最佳效果。
[0039]實(shí)施例1:
多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體，該宏觀體包括多個碳納米管膜層，碳納米管膜層內(nèi)含有多根碳納米管；所述碳納米管膜層包括厚膜層與薄膜層，厚膜層厚于薄膜層，多個厚膜層的排布形式是兩兩相互間隔、呈橫排分布，相鄰的兩個厚膜層之間設(shè)置有多個兩兩相互間隔、呈豎列分布的薄膜層，相鄰的兩個厚膜層的內(nèi)壁分別與其內(nèi)部薄膜層的上下兩邊相連接，相鄰的兩個厚膜層與其內(nèi)部的薄膜層一同圍成多個相互間隔、呈豎列分布的孔道，該孔道的延伸方向與構(gòu)成其側(cè)壁的薄膜層的延伸方向相同；
所述孔道的徑寬為1000納米-100微米；所述碳納米管膜層的厚度為1000納米-10微米，且碳納米管膜層上含有多個尺寸為5 - 200nm的納米孔；所述碳納米管膜層由碳納米管、高分子復(fù)合材料組成；所述碳納米管是單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管；所述高分子材料是甲基纖維素、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯吡咯烷酮。
[0040]一種上述多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體的制作方法，所述制作方法包括以下步驟:
先向濃度為5wt%的分散均勻的碳納米管分散液中加入高分子材料，高分子材料的質(zhì)量為碳納米管分散液的10wt%，加入后，再以lOOOr/min的速度攪拌混合均勻以獲得混合分散液，然后將混合分散液置于200X IOOX IOmm模具中成型以得到成型體，再將成型體置于液氮中浸泡2h進(jìn)行冷凍以得到冷凍體，然后將冷凍體置于真空環(huán)境下干燥，干燥后即可制得所述多膜層相間隔成多個規(guī)則排列的孔道的宏觀體(參見圖2)，以掃描電鏡觀察碳納米管宏觀體斷面(圖3、圖4)可見，宏觀體為多孔材料，孔道層層沿著某個方向有序排列。
[0041]實(shí)施例2:
基本內(nèi)容同實(shí)施例1，不同之處在于碳納米管分散液的濃度為10wt%，高分子材料的質(zhì)量為碳納米管分散液的20wt%，成型體置于液氮中浸泡4h，宏觀體的形狀為球型。
[0042]實(shí)施例3:
基本內(nèi)容同實(shí)施例1，不同之處在于將成型體置于液氮中浸泡的同時抽真空，浸泡、抽真空時間為30min，宏觀體的形狀為圓錐體，由此可見，冷凍過程中抽真空會加快液氮揮發(fā)速率，加速碳納米管冷凍速率。
[0043]實(shí)施例4:
基本內(nèi)容同實(shí)施例1 ，不同之處在于碳納米管分散液的濃度為lwt%，高分子材料無，成型體置于液氮中浸泡0.5h，宏觀體的形狀為餅型。
【權(quán)利要求】
1.多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體，該宏觀體包括多個碳納米管膜層，且碳納米管膜層內(nèi)含有多根碳納米管，其特征在于: 所述碳納米管膜層包括厚膜層與薄膜層，厚膜層厚于薄膜層，多個厚膜層的排布形式是兩兩相互間隔、呈橫排分布，相鄰的兩個厚膜層之間設(shè)置有多個兩兩相互間隔、呈豎列分布的薄膜層，相鄰的兩個厚膜層的內(nèi)壁分別與其內(nèi)部薄膜層的上下兩邊相連接，相鄰的兩個厚膜層與其內(nèi)部的薄膜層一同圍成多個相互間隔、呈豎列分布的孔道，該孔道的延伸方向與構(gòu)成其側(cè)壁的薄膜層的延伸方向相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體，其特征在于:所述孔道的徑寬為1000納米-100微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體，其特征在于:所述碳納米管膜層的厚度為1000納米-10微米，且碳納米管膜層上含有多個尺寸為5 - 200nm的納米孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體，其特征在于: 所述碳納米管膜層由純碳納米管組成或由碳納米管、高分子復(fù)合材料組成； 所述碳納米管是單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管； 所述高分子材料是甲基纖維素、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚乙烯吡咯烷酮。
5.一種權(quán)利要求1所述的多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體的制作方法，其特征在于所述制作方法包括以下步驟: 先向分散均勻的碳納米管分散液中加入高分子材料，加入后，再攪拌混合均勻以獲得混合分散液，然后將混合分散液置于模具中成型以得到成型體，再將成型體置于液氮中浸泡0.5 - 4h進(jìn)行冷凍以得到冷凍體，然后將冷凍體置于真空環(huán)境下干燥，干燥后即可制得所述多膜層相間隔成多個規(guī)則排列的孔道的宏觀體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體的制作方法，其特征在于:所述成型體置于液氮中的浸泡時間是2h。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體的制作方法，其特征在于:所述碳納米管分散液的濃度為lwt%- 10wt%，所述高分子材料的質(zhì)量為碳納米管分散液的O - 20wt%。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體的制作方法，其特征在于:所述碳納米管分散液是水性或油性分散液，且當(dāng)碳納米管分散液為油性分散液時，分散液溶劑為乙醇、丙酮或甲基吡咯烷酮中的至少一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體的制作方法，其特征在于:所述高分子材料加入后的攪拌速度是1000r/min。
10.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的多膜層相隔成多個規(guī)則排列孔道的宏觀體的制作方法，其特征在于:所述宏觀體的形狀由成型體決定；所述宏觀體的形狀為規(guī)則形狀或不規(guī)則形狀。
【文檔編號】C01B31/02GK103979522SQ201410157083
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月19日
【發(fā)明者】鐘小華, 王睿 申請人:東風(fēng)商用車有限公司