[發明專利]高性能碳納米管纖維的制備方法

有效

• 申請號: 201010505503.6
• 申請日: 2010-10-13
• 公開（公告）號: CN101967699A
• 公開（公告）日: 2011-02-09
• 發明（設計）人: 趙靜娜;張驍驊;李清文
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: D01F11/14
• 分類號: D01F11/14;D02G3/04;D02J13/00
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技術領域

本發明涉及納米微復合材料領域的一種碳納米管纖維的制備工藝，尤其涉及一種制備高性能碳納米管纖維的方法。

背景技術

生物科學技術、信息科學技術和納米科學技術是21世紀科學技術發展的主流。碳納米管是一種典型的一維納米材料，具有完美的碳六邊形連接結構，并且具有高強度、超輕量的力學特性以及獨特的石墨層結構形成的特殊電學性質。如，單根納米管的拉伸強度和彈性模量可達100GPa和1TPa。因此，碳納米管自1991年被發現開始就成為科學研究的熱點，并越來越顯示出廣闊的應用前景。但是為了能夠實現工程上的應用，碳納米管必須要經過組裝形成宏觀尺度的纖維材料，其中碳納米管纖維技術是最具潛力并且成果顯著的方向之一。

由于碳納米管表面非常光滑，容易發生滑移，納米管的組裝結構存在取向、密度、彎曲程度等等影響因素，碳納米管纖維的力學性能遠低于單根碳納米管。如何提高碳納米管界面剪切模量從而增強纖維的力學性能是實現碳納米管材料工程應用的關鍵

目前常用的碳納米管纖維制備方法主要有如下所列的幾種方法：

干法紡絲法，該方法是采用化學氣相沉積法生長出微米級甚至毫米級碳納米管陣列，從陣列中抽出一定寬度的碳納米管纖維薄膜，然后通過加捻技術捻成纖維，但采用該方法所制備的，可實際應用的連續穩定碳納米管纖維的力學強度低于2.0GPa。

直接紡絲法，該方法是在高溫氣相反應合成連續碳納米管的過程中直接通過加捻制備碳納米管纖維，利用該工藝目前已經可以得到公斤級碳納米管纖維，不過該方法得到的碳納米管纖維強度不穩定，結構缺陷較多，并且含有大量雜質。

濕法紡絲，該方法是通過將碳納米管粉體與高聚物混合成分散液，然后在擠壓過程中通過凝固浴凝固成纖維，但是濕法紡絲操作過程相對復雜，且含碳量低，纖維力學穩定性不夠。另外一種濕法方法是將分散好的碳納米管溶液利用靜電紡絲法使其在電場力作用下從噴絲頭噴出，形成含有納米管的納米級纖維，相對于前一種濕法紡絲，含碳量更低，并且碳管在纖維中不能很好地定向排列。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高性能碳納米管纖維的制備方法，其可有效改善納米管界面剪切模量以形成力學性能優良的碳納米管纖維，且工藝簡單易行，從而克服現有技術中的不足。

為實現上述發明目的，本發明采用了如下技術方案：

一種高性能碳納米管纖維的制備方法，其特征在于，該方法為：從可紡絲碳納米管陣列中拉出碳納米管薄膜，其后將碳納米管薄膜以熱固型聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液浸潤，經加捻后形成碳納米管/聚酰胺酸復合纖維，然后對碳納米管/聚酰胺酸復合纖維進行固化處理，令該復合纖維中的聚酰胺酸形成具有網絡狀交聯結構的聚酰亞胺，最終得到碳納米管/聚酰亞胺復合纖維。

進一步地講，該方法中是在加捻三角區以聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液對碳納米管薄膜進行浸潤的。

該方法中，是將碳納米管/聚酰胺酸復合纖維于150～240℃固化1小時以上，制得碳納米管/聚酰亞胺復合纖維。

該方法具體包括如下步驟：

I、取一可紡絲碳納米管陣列放置于樣品工作臺上；

II、從可紡絲碳納米管陣列中拉出碳納米管薄膜，并將碳納米管薄膜連接到紡絲機卷軸上做好連續紡絲準備；

III、紡絲機以設定拉伸速度和加捻速度運行，令碳納米管纖維穩定連續輸出，并在加捻三角區浸潤聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液，從而在卷軸上得到碳納米管/聚酰胺酸復合纖維；

V、將碳納米管/聚酰胺酸復合纖維引入烘箱進行固化處理，得到碳納米管/聚酰亞胺復合纖維。

所述碳納米管/聚酰亞胺復合纖維中聚酰亞胺的體積百分比含量在5％以下，整體含碳量在97wt％以上，且復合纖維直徑在5μm～20μm之間

該方法中，在制得碳納米管/聚酰亞胺復合纖維后，還將兩股以上碳納米管/聚酰亞胺復合纖維進行合股，并在該兩股以上碳納米管/聚酰亞胺復合纖維并合處添加粘連性高分子化合物溶液進行浸潤，然后將并合后的纖維放入烘箱進行干燥。

所述粘連性高分子化合物的溶液為聚乙烯醇/水溶液或聚酰胺酸/N-甲基吡咯烷酮溶液。

前述的可紡絲碳納米管陣列可以采用不同碳源(如：乙烯或乙炔)生長得到。

該方法中在不影響穩定連續紡絲的前提下可以調整加捻速度和拉伸速度，并也可以通過調整固化溫度和固化時間調整固化程度(如，對于碳納米管/聚酰胺酸復合纖維，其溫度區間可為150～240℃，固化時間可為1小時、1.5小時、2小時，甚至更長時間)。