RU2729244C1 - Method for modification of multilayer carbon nanotubes - Google Patents
Method for modification of multilayer carbon nanotubes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2729244C1 RU2729244C1 RU2019141023A RU2019141023A RU2729244C1 RU 2729244 C1 RU2729244 C1 RU 2729244C1 RU 2019141023 A RU2019141023 A RU 2019141023A RU 2019141023 A RU2019141023 A RU 2019141023A RU 2729244 C1 RU2729244 C1 RU 2729244C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon nanotubes
- nanotubes
- electrical conductivity
- multilayer
- modification
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 53
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 49
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 34
- 238000012986 modification Methods 0.000 title description 10
- 230000004048 modification Effects 0.000 title description 10
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000011630 iodine Substances 0.000 claims description 13
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 claims description 13
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 claims description 11
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 8
- NLKNQRATVPKPDG-UHFFFAOYSA-M potassium iodide Chemical compound [K+].[I-] NLKNQRATVPKPDG-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 2
- 239000002717 carbon nanostructure Substances 0.000 claims description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 11
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 abstract description 8
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 3
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 abstract description 2
- 239000011231 conductive filler Substances 0.000 abstract description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 abstract description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 abstract description 2
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 abstract description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 abstract 1
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- FJWLWIRHZOHPIY-UHFFFAOYSA-N potassium;hydroiodide Chemical compound [K].I FJWLWIRHZOHPIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 11
- 239000000047 product Substances 0.000 description 8
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- UEXCJVNBTNXOEH-UHFFFAOYSA-N Ethynylbenzene Chemical group C#CC1=CC=CC=C1 UEXCJVNBTNXOEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000011066 ex-situ storage Methods 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 239000003517 fume Substances 0.000 description 2
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N iodine Chemical group II PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006193 liquid solution Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 1
- 238000010306 acid treatment Methods 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003708 ampul Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 1
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 125000001449 isopropyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])(*)C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 238000002715 modification method Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 1
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/009—Characterizing nanostructures, i.e. measuring and identifying electrical or mechanical constants
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/158—Carbon nanotubes
- C01B32/168—After-treatment
- C01B32/174—Derivatisation; Solubilisation; Dispersion in solvents
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/20—Conductive material dispersed in non-conductive organic material
- H01B1/24—Conductive material dispersed in non-conductive organic material the conductive material comprising carbon-silicon compounds, carbon or silicon
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Область техники.The field of technology.
Изобретение относится к материалам для электрической техники и электроники, в частности к способам повышения электропроводности углеродных нанотрубок, которые могут быть использованы как проводящие наполнители для функциональных композитов или компонентов электронных схем.The invention relates to materials for electrical engineering and electronics, in particular to methods for increasing the electrical conductivity of carbon nanotubes, which can be used as conductive fillers for functional composites or components of electronic circuits.
Предшествующий уровень техники.Prior art.
Направления использования многослойных углеродных нанотрубок в электронике разнообразны. Такие свойства нанотрубок, как малые размеры и высокая удельная поверхность, меняющиеся в значительных пределах в зависимости от условий синтеза, высокая удельная электропроводность, механическая прочность и химическая стабильность позволяют рассматривать УНТ как перспективную основу для элементов наноэлектроники.The directions of using multiwalled carbon nanotubes in electronics are diverse. Such properties of nanotubes as small size and high specific surface area varying within significant limits depending on the synthesis conditions, high electrical conductivity, mechanical strength, and chemical stability make it possible to consider CNTs as a promising basis for nanoelectronic elements.
В настоящее время существует несколько подходов к повышению электропроводности материалов на основе углеродных нанотрубок (УНТ): сепарация электропроводящей фракции, модифицирование исходных углеродных нанотрубок посредством химической или физической адсорбции на них другого вещества, выращивание УНТ на подложках с последующим модифицированием поверхности, химический дизайн УНТ путем их заполнения подходящими электропроводящими материалами в процессе роста нанотрубок (in-situ) и внедрение из газовой или жидкой фазы после синтеза углеродных нанотрубок (ex-situ). В свою очередь, ex-situ методы в зависимости от пути внедрения вещества внутрь канала могут быть подразделены на методы заполнения из газовой и жидкой фазы (растворов, сверхкритических растворов или расплавов).Currently, there are several approaches to increasing the electrical conductivity of materials based on carbon nanotubes (CNTs): separation of the electrically conductive fraction, modification of the original carbon nanotubes by chemical or physical adsorption of another substance on them, growing CNTs on substrates with subsequent surface modification, chemical design of CNTs by filling with suitable electrically conductive materials during the growth of nanotubes (in-situ) and insertion from the gas or liquid phase after the synthesis of carbon nanotubes (ex-situ). In turn, ex-situ methods, depending on the way of introducing a substance into the channel, can be subdivided into methods of filling from a gas and liquid phase (solutions, supercritical solutions or melts).
Известен способ получения структур из химически связанных углеродных нанотрубок, обладающих повышенной электрической проводимостью [1]. Способ включает в себя пропитку исходных УНТ мономером с последующим превращением мономера в проводящий полимер и химическим связыванием проводящего полимера с частью углеродных нанотрубок. Полимер может быть легирован йодом для повышения проводимости. Растворитель из раствора мономера может быть испарен до помещения УНТ в полимеризатор.A known method of producing structures from chemically bonded carbon nanotubes with increased electrical conductivity [1]. The method includes impregnation of the initial CNTs with a monomer, followed by the conversion of the monomer into a conductive polymer and chemical bonding of the conductive polymer with a part of the carbon nanotubes. The polymer can be doped with iodine to increase conductivity. The solvent from the monomer solution can be evaporated before placing the CNTs in the polymerizer.
Недостатками данного способа являются использование в качестве мономера ацетилена или фенилацетилена, относящихся к вредным веществам, и сложный многостадийный процесс получения проводящих структур, требующий специализированного оборудования.The disadvantages of this method are the use of acetylene or phenylacetylene, which are harmful substances, as a monomer, and a complex multistage process for obtaining conducting structures that requires specialized equipment.
Известен способ [2] получения модифицированного углеродного продукта, включающий следующие стадии: подготовку углеродного носителя, модифицирование его функциональной группой, присоединение к ней металлической группы. Согласно способу [2] стадию присоединения можно проводить в жидкой среде, в паровой или газовой фазе. Модифицированный углеродный продукт включает функциональную группу, ковалентно присоединенную к поверхности углерода, и металлическую группу, присоединенную к функциональной группе.The known method [2] of obtaining a modified carbon product, including the following stages: preparation of a carbon carrier, modifying it with a functional group, attaching a metal group to it. According to the method [2], the addition step can be carried out in a liquid medium, in a vapor or gas phase. The modified carbon product includes a functional group covalently attached to the carbon surface and a metal group attached to the functional group.
Недостаток данного способа заключается в том, что при ковалентном модифицировании функциональными группами с высокой электроотрицательностью наблюдается снижение собственной электропроводности УНТ.The disadvantage of this method is that during covalent modification with functional groups with high electronegativity, a decrease in the intrinsic electrical conductivity of the CNT is observed.
Для создания сложной структуры из углеродных нанотрубок, обладающей превосходной электропроводностью, теплопроводностью и механической прочностью авторами [3] предложен способ, позволяющий получить две сетчатые структуры из углеродных нанотрубок взаимно химически связанных функциональными группами, и объединить их между собой функциональными группами посредством химического связывания функциональных групп.To create a complex structure of carbon nanotubes with excellent electrical conductivity, thermal conductivity and mechanical strength, the authors of [3] proposed a method that allows one to obtain two network structures of carbon nanotubes mutually chemically linked by functional groups, and combine them with each other by functional groups through chemical bonding of functional groups.
Недостатки данного способа заключаются в использовании в качестве исходных уже функционализированных углеродных нанотрубок, причем средний диаметр углеродных нанотрубок в первом растворе, способ изготовления композитной структуры углеродных нанотрубок и средний диаметр углеродных нанотрубок второго раствора различны, вторая структура углеродных нанотрубок образована из однослойных углеродных нанотрубок, процесс получения структуры по данному патенту осуществляется на подложке.The disadvantages of this method lie in the use of already functionalized carbon nanotubes as the initial, and the average diameter of carbon nanotubes in the first solution, the method of manufacturing the composite structure of carbon nanotubes and the average diameter of carbon nanotubes of the second solution are different, the second structure of carbon nanotubes is formed from single-walled carbon nanotubes, the production process The structure of this patent is implemented on a substrate.
В патенте [4] описан способ очистки многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ), получаемых пиролизом углеводородов с использованием катализаторов, содержащих в качестве активных компонентов Fe, CO, Ni, Mo, Mn и их комбинаций, а также Al2O3, MgO, СаСО3 в качестве носителей, который осуществляют кипячением в растворе соляной кислоты с дальнейшей промывкой водой, после кислотной обработки проводят прогрев в токе высокочистого аргона в печи с градиентом температур, в рабочей зоне температура составляет 2200-2800°С, на краях печи температура составляет 900-1000°С, в результате чего получают многослойные нанотрубки с содержанием металлических примесей менее 1 ppm.The patent [4] describes a method for the purification of multilayer carbon nanotubes (MCNT) obtained by pyrolysis of hydrocarbons using catalysts containing as active components Fe, CO, Ni, Mo, Mn and their combinations, as well as Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 as carriers, which is carried out by boiling in a solution of hydrochloric acid with further washing with water, after acid treatment, heating is carried out in a stream of high-purity argon in a furnace with a temperature gradient, in the working zone the temperature is 2200-2800 ° C, at the edges of the furnace the temperature is 900- 1000 ° C, as a result of which multilayer nanotubes with a metal impurity content of less than 1 ppm are obtained.
Недостатками данного способа являются получение прямолинейных фрагментов многослойных углеродных нанотрубок порядка сотен нанометров путем удаления внутренних и приповерхностых дефектов, что не позволяет получить связанную структуру и высокая температура обработки МУНТ, помещенных в кварцевую ампулу при давлении не менее 10-3 Торр, в потоке высокочистого аргона.The disadvantages of this method are the production of rectilinear fragments of multilayer carbon nanotubes of the order of hundreds of nanometers by removing internal and near-surface defects, which does not allow obtaining a coherent structure and a high processing temperature of MCNTs placed in a quartz ampoule at a pressure of at least 10 -3 Torr in a high-purity argon flow.
Наиболее близких заявляемому изобретению является способ изготовления структуры углеродных нанотрубок [5], включающий стадию нанесения жидкого раствора, содержащего углеродные нанотрубки, которые имеют функциональные группы, на поверхность временной подложки и стадию поперечного сшивания множества углеродных нанотрубок друг с другом, в результате чего функциональные группы образуют между собой химические связи, образуя тем самым сетчатую структуру слоя углеродных нанотрубок, и придания структурному слою углеродных нанотрубок желаемой формы с последующим переносом узорчатого слоя структуры углеродных нанотрубок на базовое тело. Жидкий раствор содержит добавку, которая заставляет функциональные группы образовывать химические связи между собой, и ускоритель окислительной реакции - йод.Closest to the claimed invention is a method for manufacturing a structure of carbon nanotubes [5], including the step of applying a liquid solution containing carbon nanotubes that have functional groups on the surface of a temporary substrate and the step of cross-linking a plurality of carbon nanotubes with each other, as a result of which functional groups form chemical bonds with each other, thereby forming a network structure of the carbon nanotube layer, and giving the structural layer of carbon nanotubes the desired shape, followed by transfer of the patterned layer of the carbon nanotube structure to the base body. The liquid solution contains an additive that makes functional groups form chemical bonds with each other, and an accelerator of the oxidative reaction - iodine.
Общим существенными признаками заявляемого способа и способа-прототипа является технология получения сетчатой структуры слоя углеродных нанотрубок, возможность формирования слоя структуры углеродных нанотрубок заданной формы. Заявляемый способ и способ-прототип совпадают также по наличию жидкофазной технологии внесения модифицирующих добавок и содержание в модифицирующих добавках йода.The common essential features of the proposed method and the prototype method is the technology of obtaining a network structure of a layer of carbon nanotubes, the possibility of forming a layer of the structure of carbon nanotubes of a given shape. The inventive method and the prototype method also coincide in the presence of a liquid-phase technology for introducing modifying additives and the content of iodine in the modifying additives.
Недостатками способа-прототипа являются пропитка базового тела раствором углеродных нанотрубок и обязательное наличие на поверхности углеродных нанотрубок функциональных групп, что требует дополнительных стадий их обработки и существенно усложняет и удорожает технологически процесс.The disadvantages of the prototype method are the impregnation of the base body with a solution of carbon nanotubes and the obligatory presence of functional groups on the surface of carbon nanotubes, which requires additional processing steps and significantly complicates and increases the cost of the process.
В основу заявляемого изобретения поставлена задача - разработать способ получения модифицированного материала на основе многослойных углеродных нанотрубок с высокой удельной электрической проводимостью.The basis of the claimed invention is the task of developing a method for producing a modified material based on multilayer carbon nanotubes with high electrical conductivity.
Поставленная задача решается за счет того, что заявленный способ получения электропроводных многослойных углеродных нанотрубок включает получение суспензии МУНТ в растворе химически чистого йода или йодида калия в изопропаноле; последующую сушку суспензии МУНТ; термообработку пропитанных МУНТ в среде инертного газа с получением связанных углеродных наноструктур.The problem is solved due to the fact that the claimed method of producing electrically conductive multilayer carbon nanotubes includes obtaining a suspension of MWCNTs in a solution of chemically pure iodine or potassium iodide in isopropanol; subsequent drying of the MCNT suspension; heat treatment of impregnated MWCNTs in an inert gas atmosphere to obtain bonded carbon nanostructures.
При приготовлении суспензии используется раствор химически чистого йода в изопропаноле. Затем компоненты механически смешиваются и сушатся в течение 3-4 суток в нормальных условиях. Механическую обработку проводят с помощью лопастной мешалки.When preparing a suspension, a solution of chemically pure iodine in isopropanol is used. Then the components are mechanically mixed and dried for 3-4 days under normal conditions. Mechanical processing is carried out using a paddle mixer.
На следующем этапе сухая смесь, размещенная на подложке, загружается в печь электрическим обогревом. Модифицирование высаженным на УНТ из раствора на предыдущем этапе йодом осуществляется при температуре 600-650°С в атмосфере аргона в течение 2 часов. Скорость нагрева составляет 10°С/мин.At the next stage, the dry mixture, placed on the substrate, is charged into the oven by electric heating. Modification with iodine deposited on CNTs from the solution at the previous stage is carried out at a temperature of 600-650 ° C in an argon atmosphere for 2 hours. The heating rate is 10 ° C / min.
Преимуществами предложенного способа является возможность проведения процесса модифицирования при атмосферном давлении и получения единой электропроводящей структуры практически не содержащей йода в модифицированных МУНТ. Предложенный способ является безопасным и экологичным. Модифицирование происходит целенаправленно и исключает образование побочных продуктов реакции. За счет деформации структуры МУНТ и разрушения их внешних слоев происходит образование вместо них деструктурированной пленки (фиг. 1-4). Также в процессе модифицирования образуются соединения отдельных, близко расположенных нанотрубок посредством деструктурированных внешних слоев. Снижение себестоимости готового продукта достигается за счет простоты технологического процесса, отсутствия термообработки под высоким давлением и использования доступных и дешевых компонентов.The advantages of the proposed method is the possibility of carrying out the modification process at atmospheric pressure and obtaining a single electrically conductive structure practically free of iodine in modified MWCNTs. The proposed method is safe and environmentally friendly. The modification takes place purposefully and eliminates the formation of reaction by-products. Due to the deformation of the structure of MWCNTs and the destruction of their outer layers, a destructed film is formed instead of them (Figs. 1-4). Also, in the process of modification, compounds of separate, closely spaced nanotubes are formed by means of destructured outer layers. Reducing the cost of the finished product is achieved due to the simplicity of the technological process, the absence of heat treatment under high pressure and the use of available and cheap components.
Заявленный способ модифицирования осуществляется следующим образом. В начале производят подготовку многослойных углеродных нанотрубок, заключающуюся в приготовлении суспензии МУНТ в 6%-ом растворе химически чистого йода в изопропаноле при постоянном перемешивании в течение 0,5-1,0 часа. Затем полученную суспензию равномерно распределяют на поддоне и высушивают в вытяжном шкафу при нормальных условиях до постоянного значения массы. Далее сухую смесь помещают на подложку и загружают в печь. Во время нагрева печь заполняется аргоном. Скорость нагрева составляет 10°С/мин. Термообработка многослойных углеродных нанотрубок, пропитанных раствором йода, проводится при атмосферном давлении в диапазоне температур 600…650°С, время модифицирования 2 ч. По окончании процесса печь и полученные структуры охлаждаются в токе аргона.The claimed modification method is carried out as follows. At the beginning, the preparation of multilayer carbon nanotubes is carried out, which consists in preparing a suspension of MWCNTs in a 6% solution of chemically pure iodine in isopropanol with constant stirring for 0.5-1.0 hours. Then the resulting suspension is evenly distributed on a pallet and dried in a fume hood under normal conditions to a constant weight value. Next, the dry mixture is placed on a substrate and loaded into an oven. During heating, the furnace is filled with argon. The heating rate is 10 ° C / min. Thermal treatment of multilayer carbon nanotubes impregnated with iodine solution is carried out at atmospheric pressure in the
Изобретение может быть проиллюстрировано данными, приведенными на фиг. 1-12.The invention can be illustrated by the data shown in FIG. 1-12.
На фиг. 1 приведены изображения микроструктуры исходных многослойных углеродных нанотрубок, полученные на просвечивающем электронном микроскопе.FIG. 1 shows images of the microstructure of the original multilayer carbon nanotubes obtained with a transmission electron microscope.
На фиг. 2-5 приведены изображения микроструктуры многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных йодом, полученные на просвечивающем электронном микроскопе.FIG. Figures 2-5 show images of the microstructure of multilayer carbon nanotubes modified with iodine, obtained with a transmission electron microscope.
На фиг. 6 приведен механизм деформации модифицированных йодом.FIG. 6 shows the mechanism of deformation modified with iodine.
На фиг. 7 приведено изображение микроструктуры исходных многослойных углеродных нанотрубок на сканирующем электронном микроскопе.FIG. 7 shows an image of the microstructure of the original multilayer carbon nanotubes on a scanning electron microscope.
На фиг. 8-11 приведены изображения микроструктуры многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных йодом, полученные на сканирующем электронном микроскопе.FIG. 8-11 show images of the microstructure of multilayer carbon nanotubes modified with iodine, obtained with a scanning electron microscope.
На фиг. 12 приведена зависимость электропроводности МУНТ от частоты.FIG. 12 shows the frequency dependence of the electrical conductivity of MCNTs.
Далее приводятся данные, доказывающие возможность осуществления заявляемого изобретения и его эффективность.The following are data proving the possibility of implementing the claimed invention and its effectiveness.
Для осуществления заявляемого способа применяли следующие исходные веществаи оборудование:To implement the proposed method, the following raw materials and equipment were used:
- Углеродные нанотрубки марки «Таунит-М» производства ООО «НаноТехЦентр», Тамбов.- Carbon nanotubes of the Taunit-M brand produced by NanoTechCenter LLC, Tambov.
- Йод кристаллический I2 чистый по ГОСТ 4159-79.- Crystalline iodine I 2 pure according to GOST 4159-79.
- Спирт изопропиловый по ГОСТ 9805-84.- Isopropyl alcohol according to GOST 9805-84.
- Мешалка лабораторная Witeg НТ-50АХ верхнеприводная производства DAIHAN (WITEG, Германия).- Laboratory stirrer Witeg НТ-50АХ top-drive produced by DAIHAN (WITEG, Germany).
- Печь.- Oven.
Пример.Example.
В литровый стеклянный стакан налили 48,5 мл изопропилового спирта, поместили 3 г порошка кристаллического йода перемешивали до полного растворения. В полученный раствор внесли 3 г многослойных углеродных нанотрубок «Таунит М» (очищенных от минеральных примесей обработкой соляной кислотой) и тщательно перемешали до образования однородной суспензии. Стакан с полученной суспензией закрепили на мешалке и проводили обработку в течение 1 часа. Затем обработанную суспензию выгрузили в стеклянный поддон и поместили в вытяжной шкаф на 4 суток при нормальных условиях. Полученный сухой продукт перенесли на металлическую подложку и загрузили в герметичную печь. Воздух из внутреннего объема печи вытеснили аргоном. Для дальнейшей термообработки продукта печь нагревали со скоростью 10°С/мин. до достижения температуры 620°С. Далее продукт выдерживался при постоянной температуре 2 часа. В реакционный объем печи непрерывно подавался аргон. После печь вместе с готовым продуктом подвергли естественному охлаждению.48.5 ml of isopropyl alcohol was poured into a liter glass beaker, 3 g of crystalline iodine powder was placed and stirred until complete dissolution. The resulting solution was added 3 g of multilayer carbon nanotubes "Taunit M" (purified from mineral impurities by treatment with hydrochloric acid) and thoroughly mixed until a homogeneous suspension was formed. The glass with the resulting suspension was fixed on a stirrer and processed for 1 hour. Then the treated suspension was discharged into a glass tray and placed in a fume hood for 4 days under normal conditions. The resulting dry product was transferred to a metal support and charged into a sealed oven. The air from the inner volume of the furnace was displaced with argon. For further heat treatment of the product, the furnace was heated at a rate of 10 ° C / min. until the temperature reaches 620 ° C. Then the product was kept at a constant temperature for 2 hours. Argon was continuously fed into the reaction volume of the furnace. After that, the oven, together with the finished product, was subjected to natural cooling.
Для проверки наличия соединенных друг с другом углеродных нанотрубок в результате модифицирования полученные образцы исследовали с помощью просвечивающей электронной микроскопии. На полученных ПЭМ-изображениях присутствуют места соединения нанотрубок.To check the presence of carbon nanotubes connected to each other as a result of modification, the obtained samples were examined using transmission electron microscopy. The TEM images show the junctions of the nanotubes.
Кроме этого для определения электропроводности полученных модифицированных нанотрубок из них были изготовлены таблетки диаметром 1.2 см и толщиной 0.2 см, на торцы которых напылялись золотые контакты. Образцы исследовали на импедансметре Novocontrol Alpha-AN (Германия)в частотном диапазоне от 1 МГц до 0.01 Гц с амплитудой переменного сигнала 10 мВ. Комплексный импеданс и электропроводность рассчитаны по формулам:In addition, to determine the electrical conductivity of the obtained modified nanotubes, tablets with a diameter of 1.2 cm and a thickness of 0.2 cm were prepared from them, on the ends of which gold contacts were deposited. The samples were examined on a Novocontrol Alpha-AN impedance meter (Germany) in the frequency range from 1 MHz to 0.01 Hz with an alternating signal amplitude of 10 mV. Complex impedance and conductivity are calculated using the formulas:
где Z* - комплексный импеданс, Ом; Z' - реальная составляющая импеданса, Ом; Z'' - мнимая составляющая импеданса, Ом; ω = 2πƒ, ƒ - частота переменного сигнала, Гц; σ* -электропроводность, См/см; σ' - реальная составляющая электропроводности, См/см; σ'' - мнимая составляющая электропроводности, См/см; s - площадь электрода, см2;
Удельная электропроводностьполученных модифицированных МУНТ составляет 516 См/см.The specific electrical conductivity of the obtained modified MWCNTs is 516 S / cm.
Таким образом, заявляемый способ позволяет получить модифицированные многослойные углеродные нанотрубки, обладающие хорошей электропроводностью, может быть легко масштабирован, обеспечивает экологическую чистоту производства.Thus, the inventive method makes it possible to obtain modified multilayer carbon nanotubes with good electrical conductivity, can be easily scaled up, and provides ecological cleanliness of production.
1. US 9443638 B2 Carbon nanotube (CNT) materials having increased thermal and electrical conductivity / James R. Chow, Kurt S. Ketola, Carl W. Townsend; Raytheon Co.1. US 9443638 B2 Carbon nanotube (CNT) materials having increased thermal and electrical conductivity / James R. Chow, Kurt S. Ketola, Carl W. Townsend; Raytheon Co.
2. Модифицированные углеродные продукты и их применение: пат. 2402584 Poc. Федерация: МПК C09C 1/44, C09C 3/08/ Хэмпден-Смит Марк Дж., Карусо Джеймс, Атанассова Паолина, Кирлидис Агатагеклос; заявитель и патентообладатель Кабот Корпорейшн. - №2006136378/05; заявл. 15.03.2005; опубл. 27.10.2010, Бюл. №30. - 46 с.: ил.2. Modified carbon products and their application: US Pat. 2402584 Poc. Federation:
3. JP 4380282 B2 Carbon nanotube complex structure and its manufacturing method / Kazunori Anazawa, Masaki Hirakata, Takashi Isozakiet al.3. JP 4380282 B2 Carbon nanotube complex structure and its manufacturing method / Kazunori Anazawa, Masaki Hirakata, Takashi Isozakiet al.
4. Способ очистки многослойных углеродных трубок: пат. 2430879 Рос. Федерация: МПК С01В 31/00, В82В 3/00/ Кузнецов В.Л., Елумеева К.В., Мосеенков С.И., Бейлина Н.Ю., Степашкин А.А.; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН, Учреждение Российской академии наук Институт проблем Бюл. №28. - 14 с.: ил.4. Method for cleaning multilayer carbon tubes: US Pat. 2430879 Rus. Federation: IPC С01В 31/00, В82В 3/00 / Kuznetsov V.L., Elumeeva K.V., Moseenkov S.I., Beilina N.Yu., Stepashkin A.A .; applicant and patentee Institution of the Russian Academy of Sciences Institute of Catalysis. G.K. Boreskov Institute of Problems of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Institution of the Russian Academy of Sciences Institute of Problems Bul. No. 28. - 14 p .: ill.
5. ЕР 1506938 В1 Method for manufacturing a carbon nanotube structure and carbon nanotube transfer body / Miho Watanabe, Kazunori Anazawa, Chicara Manabe et al.5. EP 1506938 B1 Method for manufacturing a carbon nanotube structure and carbon nanotube transfer body / Miho Watanabe, Kazunori Anazawa, Chicara Manabe et al.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019141023A RU2729244C1 (en) | 2019-12-12 | 2019-12-12 | Method for modification of multilayer carbon nanotubes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019141023A RU2729244C1 (en) | 2019-12-12 | 2019-12-12 | Method for modification of multilayer carbon nanotubes |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2729244C1 true RU2729244C1 (en) | 2020-08-05 |
Family
ID=72085860
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019141023A RU2729244C1 (en) | 2019-12-12 | 2019-12-12 | Method for modification of multilayer carbon nanotubes |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2729244C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2790222C1 (en) * | 2022-04-27 | 2023-02-15 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук" (ФИЦ УУХ СО РАН) | Method for producing carbon matrix nanostructured composite |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1506938A2 (en) * | 2003-07-24 | 2005-02-16 | Fuji Xerox Co., Ltd. | Carbon nanotube structure, method and liquid solution for manufacturing the same and carbon nanotube transfer body |
| JP4380282B2 (en) * | 2003-09-26 | 2009-12-09 | 富士ゼロックス株式会社 | Method for producing carbon nanotube composite structure |
| RU2402584C2 (en) * | 2004-03-15 | 2010-10-27 | Кабот Корпорейшн | Modified carbon products and use thereof |
| RU2430879C2 (en) * | 2009-12-16 | 2011-10-10 | Учреждение Российской академии наук Институт катализа им.Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН (ИК СО РАН) | Method of cleaning multilayer carbon tubes |
| WO2012033494A1 (en) * | 2010-09-09 | 2012-03-15 | Yazaki Corporation | Cohesive assembly of carbon and its application |
| US9443638B2 (en) * | 2013-03-11 | 2016-09-13 | Raytheon Company | Carbon nanotube (CNT) materials having increased thermal and electrical conductivity |
-
2019
- 2019-12-12 RU RU2019141023A patent/RU2729244C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1506938A2 (en) * | 2003-07-24 | 2005-02-16 | Fuji Xerox Co., Ltd. | Carbon nanotube structure, method and liquid solution for manufacturing the same and carbon nanotube transfer body |
| JP4380282B2 (en) * | 2003-09-26 | 2009-12-09 | 富士ゼロックス株式会社 | Method for producing carbon nanotube composite structure |
| RU2402584C2 (en) * | 2004-03-15 | 2010-10-27 | Кабот Корпорейшн | Modified carbon products and use thereof |
| RU2430879C2 (en) * | 2009-12-16 | 2011-10-10 | Учреждение Российской академии наук Институт катализа им.Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН (ИК СО РАН) | Method of cleaning multilayer carbon tubes |
| WO2012033494A1 (en) * | 2010-09-09 | 2012-03-15 | Yazaki Corporation | Cohesive assembly of carbon and its application |
| US9443638B2 (en) * | 2013-03-11 | 2016-09-13 | Raytheon Company | Carbon nanotube (CNT) materials having increased thermal and electrical conductivity |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2790222C1 (en) * | 2022-04-27 | 2023-02-15 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук" (ФИЦ УУХ СО РАН) | Method for producing carbon matrix nanostructured composite |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5613230B2 (en) | Graphene nanoribbons produced from carbon nanotubes by alkali metal exposure | |
| Khan et al. | Carbon nanotube-based polymer composites: synthesis, properties and applications | |
| Yan et al. | Chemistry and physics of a single atomic layer: strategies and challenges for functionalization of graphene and graphene-based materials | |
| Wu et al. | Synthesis, characterization, and electrical properties of polypyrrole/multiwalled carbon nanotube composites | |
| Hoheisel et al. | Nanostructured carbonaceous materials from molecular precursors | |
| Sainsbury et al. | Dibromocarbene functionalization of boron nitride nanosheets: Toward band gap manipulation and nanocomposite applications | |
| Ferreira et al. | Carbon nanotube functionalized with dodecylamine for the effective dispersion in solvents | |
| US6743500B2 (en) | Hollow carbon fiber and production method | |
| Tran et al. | Electroconductive performance of polypyrrole/reduced graphene oxide/carbon nanotube composites synthesized via in situ oxidative polymerization | |
| KR101337867B1 (en) | Carbon nano material-polymer composite and method for producing the same | |
| Zhao et al. | One-pot preparation of graphene-based polyaniline conductive nanocomposites for anticorrosion coatings | |
| KR20190127709A (en) | Method for producing surface treated carbon nanostructures | |
| Ren et al. | Nanocable-structured polymer/carbon nanotube composite with low dielectric loss and high impedance | |
| JP2011127071A (en) | Polymer graft carbon nanotube and manufacturing method thereof | |
| JP4273364B2 (en) | Method for modifying carbon nanotubes and aggregates of carbon nanotubes | |
| Jin et al. | Functionalization of multi-walled carbon nanotubes by epoxide ring-opening polymerization | |
| RU2729244C1 (en) | Method for modification of multilayer carbon nanotubes | |
| Tony et al. | Synthesis of silicon carbide nanomaterials by microwave heating: Effect of types of carbon nanotubes | |
| Liu et al. | New insight of high temperature oxidation on self-exfoliation capability of graphene oxide | |
| Tripathi et al. | A detailed study on carbon nanotubes: properties, synthesis, and characterization | |
| KR102379595B1 (en) | Carbon nano tube composition and method for preparing the same | |
| KR102379594B1 (en) | Entangled carbon nano tube and method for preparing the same | |
| JP7276625B2 (en) | Method for producing boron nitride nanotubes | |
| KR100769992B1 (en) | Carbon nanotube purification solution and a method for purifying carbon nanotubes thereby | |
| JP2006219358A (en) | Nanocarbon and method for producing the nanocarbon |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TC4A | Change in inventorship |
Effective date: 20210427 |