高分散、粘度可控的碳纳米管透明电极墨水技术领域
本发明涉及一种含有碳纳米管的导电墨水，特别是涉及一种高分散、粘度可控性好的碳
纳米管复合导电墨水。
背景技术
碳纳米管是一种具有典型的层状中空结构特征的碳材料，构成碳纳米管的管身由六边形
石墨碳环结构单元组成，是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级)
的一维量子材料。它的管壁构成主要为数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距
离，约为0.34nm，直径一般为2～20nm。碳纳米管的碳原子的P电子形成大范围的离域π键，
因此共轭效应显著。由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，具有很好的电学性能。为
此碳纳米管作为一种电极材料在电子科学领域中受到较大的关注，其优势在于作为透明电极
材料优异的光电性能，超顺排的碳纳米管以其优良的机械性能可以纺丝拉膜，此外碳纳米管
的耐环境腐蚀性能较强，不会受到环境的影响而降低。
然而，由于碳纳米管之间很强的范德华作用力(～500eV/μm)和大的长径比(>1000)，通常
容易形成大的管束，难以分散，极大地制约了其优异光电性能的发挥和实际应用的开发。虽
然碳纳米管超顺排薄膜通过拉膜工艺制备的透明电极在触摸屏上得以大面积应用
(CN1016254665A)，但其方阻较大(大于1000Ω/□)，透过率80％。相对于电阻要求更高
高透明电极薄膜的电子器件来说，此类碳纳米管薄膜的功耗很大，会由于电极自身的热效应
影响器件的性能。
发明内容
本发明立足于碳纳米管溶液的共混工艺在透明电极材料中的应用，提供一种高分散、粘
度可调控的碳纳米管透明电极墨水，通过超声波分散、机械搅拌、细胞粉碎等工艺方法复合
技术，实现了碳纳米管与有机载体的均匀分散，制备的墨水稳定性好、粘度可调控。
高分散、粘度可控的碳纳米管透明电极墨水，由下列成分及其重量百分含量组成：
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所述载体一为烷基化季铵碱，载体二为水溶性阴离子型酸性物质，所述溶剂为水。
所述烷基化季铵碱为十六烷基三甲基氢氧化铵，十二烷基三甲基氢氧化铵、十四烷基三
甲基氢氧化铵、苄基三甲基氢氧化铵中的一种或几种组合。
所述水溶性阴离子型酸性物质为丁基苯甲酸(P-T)十二烷基苯磺酸、邻苯二甲酸，对叔
丁基苯甲酸，对羟基苯甲酸，β-苯丙烯酸、苯乙酸、水杨酸一种或几种组合。
所述碳纳米管粉体是单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、双壁碳纳米管或者改性的碳纳米管。
高分散、粘度可控的碳纳米管透明电极墨水的制备方法，包括如下步骤；
(1)取部分溶剂将载体一、载体二制备成水溶液，
(2)将纯净碳纳米管粉体材料分散于载体一的水溶液中，
(3)再加入余下溶剂，
(4)在搅拌下滴加载体二的水溶液。
所述步骤(2)、(3)采用超声分散，所述步骤(4)采用磁力搅拌。
所述纯净碳纳米管粉体的制备方法为：将碳纳米管在甲醇中超声分散成悬浊液，再将碳
纳米管悬浊液放入UV光清洗机中照射，离心，得碳纳米管粉体；将此粉体加入到浓HNO3与过
硫酸铵的混合水溶液中，磁子搅拌，120℃下回流反应5h，离心，用去离子水反复离心冲洗
至中性，干燥得纯净碳纳米管粉体。
所述纯净碳纳米管粉体的制备方法为：将碳纳米管在有机溶剂分散成悬浊液，静置溶胀，
离心，清洗；再加入到浓硝酸中，120℃下反应4h，离心，清洗至中性，干燥得纯净碳纳米
管粉体。
本发明发现，载体一和载体二以一定浓度混合时，会形成一种粘度可调的粘弹态的溶液
体系。本发明采用其粘度可调特性来分散高浓度的碳纳米管，并且粘态的分散体系易于成膜。
成膜后的载体容易在乙醇中脱附，在经过进一步水洗后在膜层表面残留很少。
载体一和载体二混合后形成的分散体系的粘度在10-20Pa.s时，可有效分散碳纳米管。
本发明墨水分散性好、稳定性好，粘度可调，形成的碳纳米管透明导电膜层具有良好的
导电性能和可见光范围内光学透过率以及柔性。此柔性碳纳米管透明导电膜导电性可在(100
Ω/□-1MΩ/□)可调。此碳纳米管导电墨水制备成本低，节能环保，产品对人体无毒无副作
用，工艺简单。
附图说明
图1纯单壁碳纳米管(SWCNT)形貌，
其中A，B为不同放大倍数图像。
图2纯单壁碳纳米管薄膜(SWCNT)的SEM图像，
其中A，B，C为不同放大倍数图像。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
1)单壁碳纳米管的纯化：0.05g的单壁碳纳米管(SWCNT)在20ml甲醇中超声分散20min
后形成SWNT悬浊液。将此SWCNT悬浊液放入UV光清洗机中处理40min，得到SWCNT粉体；取20ml
的去离子水放入单口烧瓶中，再加入10ml的浓HNO3(68wt％)，加入5wt％过硫酸铵(APS)
水溶液，混合均匀后加入提纯过的SWCNT粉体，磁子搅拌，120℃下回流反应5h。去离子水反
复离心冲洗(7000rpm，10min)3次，得到纯化后的单壁碳纳米管见图1。
2)将纯化后的单壁碳纳米管分散在0.05M的3ml十六烷基三甲基氢氧化铵(CTAOH)中，
再加入16ml水，经超声分散15min。在此混合体系在磁力搅拌的条件下逐步滴加0.45M对叔丁
基苯甲酸0.15-0.2ml，形成高分散的粘度可调的碳纳米分散体系，其粘度在10-20Pa.S内可调。
实施例2：
1)取0.05gSWCNT(加入到40ml苯甲酸乙酯溶剂中，超声分散40min,静置溶胀2天
后，离心，再依次用乙醇，去离子水离心清洗。将溶胀后的SWCNT加入到30ml浓硝酸中，
120℃下反应4h，取出后离心清洗多次至上清液基本澄清，达到离心溶液近中性。离心分
离得到的单壁碳纳米管的粉体见图1。
2)将纯化后的单壁碳纳米管分散在0.05M的3ml十二烷基三甲基氢氧化铵中，再加入18ml
水，经超声分散15min。在此混合体系在磁力搅拌的条件下逐步滴加0.3M邻苯二甲酸
0.1-0.2ml。形成高分散的粘度可调的碳纳米分散体系。其粘度在10-20Pa.S内可调。
实施例3：
1)取0.05gSWCNT加入到40mlDMF中，超声分散40min,静置溶胀48h后，离心，再
依次用乙醇，去离子水离心清洗。将溶胀后的SWCNT加入到30ml浓硝酸中，120℃下反应4
h，取出后离心清洗多次至上清液基本澄清，达到离心溶液近中性。离心分离得到的单壁碳
纳米管的粉体，见图1。
2)将纯化后的单壁碳纳米管分散在0.05M的3ml苄基三甲基氢氧化铵中，再加入13ml水，
经超声分散15min。在此混合体系在磁力搅拌的条件下逐步滴加0.3M邻苯二甲酸0.15-0.2ml，
形成高分散的粘度可调的碳纳米分散体系，其粘度在10-20Pa.S内可调。
实验例：
1、碳纳米导电薄膜的制备方法
本发明所涉及的高分散的粘度可调的碳纳米管导电墨水，可以在室温条件下，采用spin
coating和激光烧蚀技术来制备精细的电极图案，也可以采用喷墨打印等技术实现微细结构电
极图案的一次性制备，制备的薄膜形貌见图2。
本发明的复合导电墨水，其工艺可操作性强，可采用喷墨打印技术，旋涂技术以及配套
的光刻技术，可实现在玻璃，透明晶体，透明陶瓷，高分子薄膜等表面制备碳纳米导电膜层，
其膜层表面形貌如图2中。
碳纳米管分散液中，碳纳米管的分散性能良好，形成了单束网状分散。碳纳米管在PET薄
膜表面涂膜后，经过乙醇或HNO3浸泡，形成的碳纳米管薄膜为较为均一网状链接。
碳纳米导电薄膜膜层性能检测见表1：
表1碳纳米管电薄膜光电性
样品名称
方阻Ω/□
透过率/550nm
PET膜层
∞
90％
碳纳米导电薄膜
100-150
87％
本发明墨水形成的碳纳米透明导电膜层具有良好的导电性能和可见光范围内光学透过率
以及柔性。此柔性碳纳米管透明导电膜导电性可在(100Ω/□-1MΩ/□)可调。此碳纳米导
电墨水制备成本低，节能环保，产品对人体无毒无副作用，工艺简单。相比国内外碳纳米导
电高分子电极材料的性能，本发明所制备的碳纳米柔性电极材料性能处于领先的水平。参见
表2。
表2国内外碳纳米导电薄膜与本发明碳纳米薄膜的光电性能比较
样品名称
方阻Ω/□
透过率/550nm
碳纳米导电薄膜
100
87％
同行最佳
152
83％
本发明所研制的碳纳米管柔性电极墨水及其所制备的透明柔性导电薄膜在触摸屏，太阳
能电池以及OLED等显示器件所需的柔性透明电极方面具备良好的应用前景。