[發明專利]一種圓形截面高導電性碳納米管纖維的制備方法

在審

• 申請號: 202210995490.8
• 申請日: 2022-08-18
• 公開（公告）號: CN115418748A
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 劉暢;徐樂樂;侯鵬翔;焦新宇;成會明
• 申請（專利權）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: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發明涉及高性能碳納米管纖維制備領域，具體為一種圓形截面高導電性碳納米管纖維的制備方法。使用能夠減緩纖維凝固速率的N?甲基吡咯烷酮作為一級凝固浴，將氯磺酸分散的碳納米管液晶紡絲液注射進裝有N?甲基吡咯烷酮的一級凝固浴中得到半固態的碳納米管纖維；再將半固態的納米管纖維通過光滑的導軌引入裝有乙醇的二級凝固浴中進行完全固化，并對纖維進行牽拉、卷繞收集，最后在自然狀態下干燥成型。本發明利用氯磺酸在N?甲基吡咯烷酮中擴散速率低的特性，使得纖維在N?甲基吡咯烷酮中均勻、緩慢地凝固為纖維，同時保證了纖維的充分拉伸和細化，提高了碳納米管的順排度和致密度，最終獲得了圓形截面高導電性碳納米管纖維。

技術領域

本發明涉及高性能碳納米管纖維制備領域，具體為一種圓形截面高導電性碳納米管纖維的制備方法。

背景技術

碳納米管纖維是由單根碳納米管組裝而成的宏觀尺度纖維材料，其具有優異的力學、電學和熱學特性，并且兼具密度低、比表面積大和長徑比高等優點，有望成為下一代輕質高強高導材料。性能優異的碳納米管纖維可在航空航天、可穿戴電子器件、太陽能電池、超級電容器、人工肌肉等領域獲得廣泛應用。

制備碳納米管纖維的方法主要有三種：即陣列紡絲法、化學氣相沉積直接紡絲法和濕法紡絲。陣列紡絲法是對化學氣相沉積法制備得到的碳納米管垂直陣列進行牽拉，使得順排碳納米管首尾相連，形成纖維的一種方法，這種方法得到的纖維致密度較低，因此電學性能較差(文獻1：Jiang K,Li Q,Fan S.Nature.2002,419(6909),801.)。化學氣相沉積紡絲法是一種一步制備碳納米管纖維的方法：通過采用乙醇/二茂鐵/噻吩溶液作為液態碳源，在載氣作用下以一定的注射速率通入高溫反應爐中，液態碳源在高溫反應爐內氣化，得到長筒襪狀碳納米管纖維前驅體結構，隨后在反應爐外收集得到碳納米管纖維(文獻2：Koziol K,Vilatela J,Windle A,et al.Science 2007,318(5858),1892-1895.)。濕法紡絲是首先將碳納米管制備成均勻穩定的碳納米管分散液，隨后注入到凝固浴中凝固成型的一種紡絲方法(文獻3：Vigolo B,Penicaud A,Coulon C,et al.Science.2000,290(5495),1331-1334.)。由于濕法紡絲制備的纖維取向度和致密度更高，因此相比于干法紡絲得到的纖維，其電學性能更加優異。除此之外，濕法紡絲更容易工業化，從而實現碳納米管纖維的規模化生產。

目前濕法紡絲制備的碳納米管纖維的強度和電導率均遠低于單根碳納米管的性能。一方面是由于碳納米管本身結構(如壁數、直徑、手性、長度、缺陷等)不均一；另一方面是由于從納米尺寸單根碳納米管組裝成宏觀尺寸碳納米管纖維的過程中，因取向度、致密度較差等導致纖維內管間的接觸電阻較大；此外，由于濕法紡絲過程纖維的固化速率較高，在凝固浴內快速收縮，此時纖維的皮層和芯層收縮不同步，導致收縮不均勻，因此纖維的截面一般呈無規則形狀，且表面有很多凹槽和褶皺，這限制了纖維電導率的準確計算及實際應用(文獻4：Bucossi A R,Cress C D,Schauerman C M,et al.ACS Appl MaterInterfaces,2015,7(49):27299-27305.)。

因此，目前制備高性能碳納米管纖維的一個主要問題是：如何發展或者改進碳納米管纖維紡絲技術，制備高順排度、高致密度、表面光滑的碳納米管纖維，突破纖維組裝過程中的技術瓶頸，獲得高導電性碳納米管纖維，推動其規模化應用。

發明內容

針對常規液相紡絲過程中，碳納米管紡絲液在凝固浴中快速收縮導致纖維表面多褶皺且呈無規則形狀等問題，本發明的目的在于提供一種表面光滑、高順排度、高致密度、圓形截面高導電性碳納米管纖維的制備方法，解決了常規液相紡絲方法由于碳納米管快速凝固導致纖維收縮不均勻以及沒有充分拉伸和細化的技術問題。制得碳納米管纖維長度無限制、直徑在5～30μm范圍可調，電導率達0.5～1.5×10⁷S/m，拉伸強度為0.5～2GPa。

本發明的技術方案是：