[發明專利]富勒烯摻雜高規整度的碳納米纖維及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202111509696.7
• 申請日: 2021-12-10
• 公開（公告）號: CN114318593B
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 張燁;朱波;喬琨;高學平;虞軍偉;閆書涵
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: D01F9/22
• 分類號: D01F9/22;D01F1/10;D01F1/09;B82Y30/00;B82Y40/00;B01J20/20;H01M4/96
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 王磊

本發明屬于高性能纖維及制備和復合材料領域，涉及富勒烯摻雜高規整度的碳納米纖維及其制備方法與應用，主要是將富勒烯材料作為碳質元素添加劑用于碳納米纖維的制備，具體地，將丙烯腈與碳質元素添加劑通過水相沉淀聚合形成碳質元素添加劑與聚丙烯腈復合的前體原料，將前體原料依次進行紡絲、熱牽伸、預氧化、碳化、石墨化獲得富勒烯摻雜高規整度的碳納米纖維；所述碳質元素添加劑為富勒烯材料。本發明能夠防止碳質元素添加劑的團聚，減少碳納米纖維的缺陷，且能夠使復合碳納米纖維具有較高的強度和韌性、質輕、熱穩定性優異。

技術領域

本發明屬于高性能纖維及制備和復合材料領域，涉及富勒烯摻雜高規整度的碳納米纖維及其制備方法與應用。

背景技術

公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

碳纖維是一種具有高強高模、低密度、高導熱導電性等優異性能的新型無機纖維材料。碳纖維可以由很多前驅體紡制而成，其中聚丙烯腈是生產高性能碳纖維最有前途的前驅體，聚丙烯腈基碳纖維憑借其優異的綜合性能占據了當前世界碳纖維總產量的90％以上。

聚丙烯腈基碳纖維可以通過很多工藝制備，自靜電紡絲技術成熟以來，憑借該技術制備的碳納米纖維得到了極大地發展，相比于碳纖維復雜且嚴格的紡絲過程而言，靜電紡絲制備碳納米纖維的過程顯得更加簡單，可以方便的調整工藝參數。然而簡便的工藝過程也帶來很多缺點，如碳納米纖維取向性差，常伴有粗糙的表面及串珠結構等，因此目前對碳納米纖維的應用多限于功能材料，如儲能設備、催化劑或催化劑載體等。雖然在宏觀結構方面碳纖維和碳納米纖維存在很多差異，但是二者內部結構上有很大的相似性，因此在碳納米纖維研究中取得的成果可以有效地指導碳纖維的生產。

目前制約碳納米纖維性能提高的主要原因在于纖維內部缺陷較多，石墨化結構的完整性、取向性較差?？梢酝ㄟ^添加改性物質來提高碳納米纖維的性能。碳質元素添加劑，如碳納米管、石墨烯及其衍生物等，由于有著與理想碳納米纖維結構相同的蜂窩狀石墨晶格結構，可以在纖維碳化過程中促進石墨化結構的形成，被廣泛的用作碳納米纖維的成核劑和模板劑，然而，發明人研究發現，相對于碳納米纖維的納米級尺寸而言，碳納米管和石墨烯的尺寸仍然較大，容易在碳纖維內部導致結構不均的現象，此外其濃度稍高便會產生團聚，極大地限制了纖維性能的提高。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本發明的目的是提供富勒烯摻雜高規整度的碳納米纖維及其制備方法與應用，本發明能夠防止碳質元素添加劑的團聚，減少碳納米纖維的缺陷，且能夠使復合碳納米纖維具有較高的強度和韌性、質輕、熱穩定性優異。

為了實現上述目的，本發明的技術方案為：

一方面，一種富勒烯材料作為碳質元素添加劑在制備碳納米纖維中的應用,相比于目前應用較廣的石墨烯和碳納米管，富勒烯有如下獨特的優勢：

(1)相比于一維的碳納米管及二維的石墨烯，富勒烯是零維的納米球，其結構更小且在各個方向上均為納米級尺寸，更小的尺寸使該添加劑與纖維基質的接觸面積更大，從而通過接觸產生的相互作用也會更強；(2)碳納米管及石墨烯容易在纖維基質中發生彎曲、纏繞、扭轉等變形，進而誘導產生晶格畸變，而相比之下富勒烯球形結構不會發生上述變形，使其作為添加劑使用時在基質中的形貌控制更容易；(3)富勒烯的球形結構可以把力分散給所有原子，是結構更加穩定；(4)富勒烯更小的尺寸使其在纖維變形時可以隨纖維基質一起移動，填料與基質的變形協調性更一致，進而在纖維受牽伸時富勒烯可以與纖維基質不斷產生二次鍵接，持續起到增強作用，最終使纖維的韌性得到提升；(5)富勒烯有高電子接受能力，可以吸附熱解及變形過程中纖維基質產生的自由基，防止結構進一步劣化，起到“自愈合”的作用。