[發(fā)明專利]一種制備單壁碳納米管纖維及其復合纖維的方法

有效

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• 申請日: 2018-11-29
• 公開（公告）號: CN109576822B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發(fā)明（設計）人: 劉暢;李國顯;侯鵬翔;成會明
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: D01F9/12
• 分類號: D01F9/12
• 代理公司: 沈陽優(yōu)普達知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發(fā)明涉及碳納米管纖維及其復合纖維制備領域，具體為一種制備單壁碳納米管纖維及其復合纖維的方法。以浮動催化劑化學氣相沉積法制備的單壁碳納米管為基體材料，用兩親性表面活性劑分散單壁碳納米管，擠入凝固浴中形成纖維，實現(xiàn)高強度、高電導率纖維的連續(xù)制備。在纖維原液中添加與其相容性良好的材料，制備得到復合纖維，賦予纖維更多的功能性。該方法避免現(xiàn)有濕法紡絲技術(shù)中對強酸的使用，降低生產(chǎn)過程的安全風險和環(huán)境問題；同時避免絕緣性聚合物粘合劑的使用，提高濕法紡絲制備纖維的導電性，克服現(xiàn)有碳納米管復合纖維制備技術(shù)中功能性材料在纖維中分布不均及擔載量難以提高的問題，實現(xiàn)高載量功能性材料在纖維基體內(nèi)的均勻分布。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及碳納米管纖維及其復合纖維制備領域，具體為一種制備單壁碳納米管纖維及其復合纖維的方法。

背景技術(shù)

單壁碳納米管具有優(yōu)異的力學、電學特性、極高的熱導率、良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、高比表面積和低密度等特性。例如，單壁碳納米管的楊氏模量高達1TPa，拉伸強度超過100GPa，斷裂伸長率達到15％～30％；單壁碳納米管的電阻較低(4.2kΩ/μm)，電子在其中具有很長的平均自由程；它還具有高的熱導率(3500W·m^-1·K^-1)，高的載流能力(109A·cm^-2)。然而，要實現(xiàn)單壁碳納米管的實際應用，通常需將其組裝成宏觀結(jié)構(gòu)，如：纖維、薄膜等。其中，碳納米管纖維可望用作高性能復合材料增強體、力學及生物傳感器、電力傳輸線、航空航天、防彈裝備、微電極等。

目前，獲得碳納米管纖維的方法主要有碳管陣列抽絲法、浮動催化劑化學氣相沉積(CVD)直接紡絲法和溶液紡絲法。其中，碳管陣列抽絲法需要首先制備可抽絲的碳納米管陣列，設備和成本需求高，且所制備的碳納米管為多壁管(Zhang X,Li Q,TuY,etal.Strong carbon-nanotube fibers spun from long carbon-nanotube arrays[J].Small,2007,3(2):244-248.)。浮動催化劑CVD直接紡絲法是將CVD爐中生成的碳納米管氣溶膠直接用來紡絲，但其過程高溫，不利于在纖維組裝過程中原位引入功能性材料制備復合纖維。溶液紡絲法是一種低溫制備方法，工藝簡單，可以大規(guī)模制備碳納米管纖維(WANGJ N,LUO X G,WU T,et al.High-strength carbon nanotube fibre-like ribbon withhigh ductility and high electrical conductivity.[J].Nature Communications,2014,5:3848.)。

濕法紡絲通常采用兩種工藝得到碳納米管纖維。一種是首先制備單壁碳納米管分散液，再將該分散液注入流動的聚乙烯醇(PVA)溶液中，碳納米管溶液凝固得到纖維。這種方法的缺點在于，由于制備過程中使用PVA溶液，不可避免地在纖維中引入質(zhì)量占比很高的聚合物，降低纖維的整體導電性(Dalton A B,Collins S,E,et al.Super-toughcarbon-nanotube fibres[J].Nature,2003,423(6941):703.)。另一種是利用碳納米管在超強酸中被質(zhì)子化而產(chǎn)生的靜電排斥作用分散碳納米管，從而形成高濃度(2～8wt％)的穩(wěn)定溶液，然后將其通過毛細管擠出到凝固浴中，最后收集得到纖維。但是，超強酸的使用帶來環(huán)境和安全問題，不利于大規(guī)模制備(Behabtu N,Young C C,Tsentalovich D E,etal.Strong,light,multifunctional fibers of carbon nanotubes with ultrahighconductivity.[J].Science,2013,339(6116):182-6.)。