[發(fā)明專利]碳納米管纖維-石墨烯復合材料及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210068066.5
• 申請日: 2012-03-15
• 公開（公告）號: CN103306132A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李清文;孟凡成;張驍驊
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州捷迪納米科技有限公司
• 主分類號: D06M11/74
• 分類號: D06M11/74
• 代理公司: 蘇州威世朋知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32235
• 代理人: 楊林潔

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種復合材料，尤其涉及一種碳納米管纖維-石墨烯復合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

碳納米管纖維是大量碳納米管組裝得到的宏觀形態(tài)中最重要的一種。自2002年清華大學研究人員首次從碳納米管陣列中抽出碳納米管纖維以來，碳納米管纖維就迅速發(fā)展為一個非常具有活力的研究方向。因其具有優(yōu)異的力學、電學及熱學等綜合性能，在航空航天、防彈裝備、體育器械等復合材料等領(lǐng)域顯示了巨大的應用潛力。

當前已經(jīng)發(fā)展的碳納米管纖維的制備方法主要有陣列抽絲法、溶液紡絲法以及浮動化學氣相沉積（CVD）紡絲法。陣列紡絲法是在可紡絲碳納米管陣列的基礎(chǔ)上，通過抽絲、加捻、浸潤增強等干紡工藝，紡制碳納米管纖維。溶液紡絲法是首先將碳納米管粉體分散成具有一定濃度的均勻溶液，然后模擬傳統(tǒng)溶液紡絲技術(shù)，通過液相注射成絲而得。浮動CVD直接紡絲法的最早開發(fā)者是英國劍橋大學的Windle小組，該法是最具有規(guī)模工業(yè)化制備碳納米管纖維潛力的方法之一。

與碳纖維材料相比，碳納米管纖維作為一種新型的高性能纖維材料，具有更多的自身發(fā)展優(yōu)勢。首先，碳納米管纖維的拉伸強度已經(jīng)可以穩(wěn)定達到1.0?GPa以上，已可滿足大多數(shù)結(jié)構(gòu)件對材料力學強度的要求。且與碳納米管的理論強度值相比，碳納米管纖維的強度還有很大的上升空間。其次，碳納米管纖維具有極高的韌性，可以經(jīng)過多次彎曲、打結(jié)而不影響其力學性能，可有效用于接點、彎折、受力不勻等部位，并有效解決通常碳纖維增強復合材料的脆性過大、界面強度不高等問題。最后，碳納米管纖維極大的斷裂伸長率及其低應變時的高能量吸收能力，將可能使其在需要高吸能、高強度等領(lǐng)域獲得用武之地，如防彈背心和機械防震部件等。此外利用碳納米管纖維的熱學、電學性能，研究人員正嘗試通過功能客體的引入，將碳納米管纖維用于傳感器、人工肌肉等領(lǐng)域。但目前碳納米管纖維，尤其是碳納米管纖維的研究和應用多集中于其力學領(lǐng)域，功能性應用研究剛剛開始，且存在一些尚難解決的問題。目前，已有報道將碳納米管纖維用作新型電容器以及光電轉(zhuǎn)化電極材料的研究，但普遍遇到一些應用難題。比如纖維內(nèi)部客體的引入通常會降低其導電性，并伴隨力學強度的損失；碳納米管纖維的惰性表面也難與客體形成有效的傳輸界面。而常用的碳納米管纖維表面處理方式如酸化等，又會造成其結(jié)構(gòu)及性能等的破壞。此外，纖維表面形貌也是影響其功能穩(wěn)定性的重要因素。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一在于提供一種碳納米管纖維-石墨烯復合材料的制備方法，該方法克服了現(xiàn)有技術(shù)中碳納米管纖維在光電應用等領(lǐng)域所出現(xiàn)的材料性能下降的問題。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種采用上述制備方法獲得的碳納米管纖維-石墨烯復合材料。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的碳納米管纖維-石墨烯復合材料的制備方法，所述方法包括如下步驟：

a.制備碳納米管纖維，在制備過程中，利用溶液潤濕修飾所述碳納米管纖維；

b.提供石墨烯，將所述石墨烯置于水溶液中，在超聲的作用下形成均勻分散的石墨烯分散液；

c.向所述石墨烯分散液中滴加分散劑，并攪拌均勻；

d.將所述碳納米管纖維與所述石墨烯分散液充分接觸，以使所述石墨烯包覆在所述碳納米管纖維的表面；

e.待反應完畢，將所述包覆有石墨烯的碳納米管纖維烘干，得到所述碳納米管纖維-石墨烯復合材料。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟a具體包括：通過陣列紡絲法或溶液紡絲法或化學氣象沉積紡絲法制備碳納米管纖維，在制備過程中，利用溶液潤濕修飾所述碳納米管纖維。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟a中溶液為乙醇或聚乙烯醇溶液或PVA/二甲基亞砜溶液或者聚二烯丙基二甲基氯化銨。

作為本發(fā)明的進一步改進，步驟b中所述石墨烯分散液的分散濃度范圍為：0.001g/L~0.1g/L。

作為本發(fā)明的進一步改進，步驟c中所述分散劑選自：水、乙醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、氯仿、二氯乙烷、乙酸乙酯或者它們的組合。

作為本發(fā)明的進一步改進，步驟c中所述分散劑的體積百分比優(yōu)選值為1%。

作為本發(fā)明的進一步改進，步驟d中所述碳納米管纖維與石墨烯分散液的接觸方式為噴涂方式或者浸泡方式。

本發(fā)明還提供了一種采用上述制備方法制備的碳納米管纖維-石墨烯復合材料，所述復合材料包括碳納米管纖維，及在所述碳納米管纖維外表面包覆的石墨烯包裹層。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述碳納米管纖維選自：單壁碳納米管纖維、多壁碳納米管纖維、或者它們的混合。