[發明專利]高性能碳納米管復合纖維、其制備方法與系統

有效

• 申請號: 202011277762.8
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112301462B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 趙靜娜;王嬌嬌;張永毅;勇振中;張驍驊;李清文
• 申請（專利權）人: 江西省納米技術研究院
• 主分類號: D01F9/12
• 分類號: D01F9/12
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王茹;王鋒

本發明公開了一種高性能碳納米管復合纖維、其制備方法與系統。所述制備方法包括：以經水充分浸潤的碳納米管纖維作為陰極，并與陽極、電解液共同構建電化學反應體系，所述電解液為包含電解質和選定物質的水相體系；使所述電化學反應體系通電，并使所述碳納米管纖維在電解所產生的氣體的作用下在徑向和/或長度方向上產生均勻膨脹，同時使所述選定物質充分滲透入所述碳納米管纖維中碳納米管的內部，制得碳納米管/選定物質復合纖維，之后進行致密化、熱牽伸、收集處理，制得高性能碳納米管復合纖維。本發明制備的高性能碳納米管纖維具有低密度、高取向度、高比強度和高比模量等特點，且制備效率更高、更安全、綠色、高效、可擴大連續化生產。

技術領域

本發明涉及一種高性能碳納米管纖維的制備方法，特別涉及一種無損膨脹制備高性能碳納米管復合纖維的方法及相應的系統，屬于碳纖維及納米復合材料制備技術領域。

背景技術

碳納米管(CNT)是目前發現的性能最好的一維結構單元，單根碳納米管的理論拉伸強度可達到100GPa，楊氏模量可以達到1TPa。碳納米管纖維是由碳納米管組裝而成的宏觀一維材料，是碳納米管從微觀到宏觀應用的最重要呈現形式之一，理想的碳納米管纖維具有優異的力學、電學和熱學性能(Adv.Mater.2012,24,1805；Nanoscale 2016,8,19475；Compos.Sci.Technol.2018,166,95)。然而在組裝成宏觀的纖維的過程中，由于雜質、缺陷以及管間連接等問題的存在，碳納米管優異的性能難以在宏觀纖維中表現出來。

目前提高碳納米管纖維力學性能的方法主要有管間連接、取向處理、致密化處理等方法。管間連接主要是在碳管表面成鍵或引入聚合物(Advanced Materials,2011,23(17):1971-1975；Carbon 2017,118,413-421)，相關專利如碳納米管纖維的表面改性方法(CN101723350A)，高性能碳納米管纖維的制備方法(CN101967699A)，電致增強碳納米管纖維的方法(CN103850114A)等。取向化主要通過牽伸處理提高纖維內部碳管沿纖維徑向的排列程度，使纖維在承受外力時更多的碳納米管參與承擔載荷，致密化主要通過高壓減少纖維內部管與管之間、管束與管束之間的空隙，代表性如C.D.Tran等通過滾輪摩擦逐級牽伸(Carbon 2009,47,2662-2670)，韓國科學技術研究院采用氯磺酸輔助牽伸(NatureCommunications,2019,10(1)；ACS Applied MaterialsInterfaces,2020,12(11))；王健農等通過擠壓提高碳納米管窄帶的致密程度(Nano Lett.2016,16,946-952)。

管間鍵合的方法可以提高碳管纖維的力學性能，但是由于鍵合作用官能團的引入和鍵合隨機性較大，且會對碳納米管結構造成一定程度的破壞，聚合物的引入會改變碳管纖維的純度，限制纖維內部電子和聲子的傳遞，影響纖維的電學和熱學性能。單純的牽伸對纖維強度提升非常有限，輥壓致密導致纖維形狀單一且難以連續制備，氯磺酸牽伸致密由于氯磺酸的強氧化性制備條件非常苛刻。

綜上所述，現有技術主要存在以下缺點：1)簡單的物理作用會破壞纖維內部碳納米管的網絡結構，使得原本網絡糾纏的碳納米管斷裂。2)已有的發明一般會選擇丙酮作為凝固浴，但是僅采用丙酮，碳納米管纖維的致密化程度還是相對較低。3)文獻中采用氯磺酸可使碳納米管纖維膨脹，但是氯磺酸對碳納米管纖維膨脹率低、效率低，且氯磺酸會使碳納米管纖維內部的缺陷增加，氯磺酸具有強腐蝕性、強刺激性，可致人體灼傷。4)目前文獻報道的優化碳納米管纖維的取向、提高碳納米管纖維力學性能的方法，都難以實現綠色、高效、連續生產。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種高性能碳納米管復合纖維及無損膨脹制備高性能碳納米管復合纖維的方法，以克服現有技術中的不足。

本發明的另一目的還在于提供一種無損膨脹制備高性能碳納米管復合纖維的系統。

為實現前述發明目的，本發明采用的技術方案包括：