[發(fā)明專利]一種高導(dǎo)電碳納米管纖維無紡布的制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211000329.9
• 申請日: 2022-08-19
• 公開（公告）號: CN115354522A
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 侯鵬翔;焦新宇;劉暢;徐樂樂;成會明
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號: D21H13/50
• 分類號: D21H13/50;D21H15/02;D21J7/00
• 代理公司: 沈陽優(yōu)普達知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)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無紡布制備領(lǐng)域，具體為一種高導(dǎo)電碳納米管纖維無紡布的制備方法。首先將碳納米管分散在氯磺酸溶液中，獲得可紡絲的液晶紡絲液；然后將碳納米管液晶紡絲液注射進入高速旋轉(zhuǎn)的凝固浴中，在凝固浴剪切力作用下得到碳納米管短纖維；將凝固浴中均勻分散的短纖維過濾、二次凝固、短暫熱處理使?jié)窭w維從濾膜上自剝離，再經(jīng)熱壓處理使其平整化，最終制備獲得碳納米管纖維無紡布。本發(fā)明首次制備出碳納米管纖維無紡布，在制備過程中對碳納米管的結(jié)構(gòu)幾乎沒有破壞，最大限度保持原始碳納米管的結(jié)構(gòu)與性能特點；所制備的無紡布具有低密度、高電導(dǎo)率、高柔韌性、高電熱轉(zhuǎn)化性能，有望在柔性可穿戴器件、航空航天等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳納米管纖維無紡布制備領(lǐng)域，具體為一種高導(dǎo)電碳納米管纖維無紡布的制備方法。

背景技術(shù)

無紡布又稱不織布、針刺棉，通常采用高分子聚合物如聚酯纖維、滌綸、聚丙烯等材料制備而成。與傳統(tǒng)布料不同，無紡布沒有經(jīng)線和緯線，而是由紡織短纖維或者長絲隨機排列形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，再用機械、熱粘等方法加工而成。無紡布具有防潮、透氣、柔韌、輕質(zhì)、不助燃、易分解等特點，色彩豐富，價格低廉，有非常廣泛的應(yīng)用前景。但由于其耐久性差，且高分子材料作為基本組成單元導(dǎo)致無紡布的電導(dǎo)率低，因此一直被限制于低端民用領(lǐng)域。

碳納米管具有獨特的一維中空管狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)性能，被認為是新一代導(dǎo)線的理想候選材料。迄今為止，已經(jīng)有比較成熟的工藝如陣列紡絲，化學(xué)氣相沉積直接紡絲法和濕法紡絲制備不同結(jié)構(gòu)特點和性能的碳納米管纖維和薄膜。這其中濕法制備的碳納米管纖維具有高達10⁷S/m的電導(dǎo)率，已經(jīng)與銅處在同一個數(shù)量級。然而，使用碳納米管纖維編織成布的工作卻非常少，這是因為沒有成熟的針對碳納米管纖維的紡織工藝，而手工編織的效率又很低。目前僅有一篇論文報道使用自動化機器將碳納米管纖維編織成布(Journalof Materials Chemistry A,2019,7(15):8790-7.)，但是其電導(dǎo)率僅有110S/m。難以滿足高端制造業(yè)的應(yīng)用需求。

綜上所述，制備高導(dǎo)電性碳納米管纖維無紡布技術(shù)尚屬空白，迫切需要開發(fā)相應(yīng)的技術(shù)提升我國在高端無紡布領(lǐng)域的競爭力及滿足相關(guān)應(yīng)用需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種高導(dǎo)電碳納米管纖維無紡布的制備方法，通過在碳納米管液晶紡絲液細流在凝固浴收縮成纖維過程中增加剪切力，制備出長度在30mm以下、長度均勻的碳納米管短纖維，再經(jīng)過濾自組裝成碳納米管纖維無紡布。在制備過程中對碳納米管的結(jié)構(gòu)幾乎沒有破壞，最大限度保持原始碳納米管的結(jié)構(gòu)與性能特點。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種高導(dǎo)電碳納米管纖維無紡布的制備方法，包括如下步驟：

(1)將氯磺酸中分散的碳納米管液晶紡絲液注射進入高速旋轉(zhuǎn)的一次凝固浴中，碳納米管液晶紡絲液細流在收縮的同時受到一次凝固浴的剪切力被拉斷，形成長度均一的短纖維；

(2)將一次凝固浴中均勻分散的短纖維經(jīng)過一次過濾得到半固化的碳納米管濕纖維，再經(jīng)二次凝固浴得到固化的碳納米管濕纖維；

(3)通過熱處理使?jié)窭w維從濾膜上自剝離，經(jīng)熱壓處理使其平整化，最終制備出碳納米管纖維無紡布。

所述的高導(dǎo)電碳納米管纖維無紡布的制備方法，碳納米管纖維無紡布的內(nèi)部組成單元為碳納米管纖維，由碳納米管短纖維搭接而成，碳納米管短纖維內(nèi)部的碳納米管沿纖維軸向排列，碳納米管短纖維的直徑分布在4～50μm。

所述的高導(dǎo)電碳納米管纖維無紡布的制備方法，碳納米管是單壁、雙壁、少壁碳納米管中的一種、兩種或三種的混合物，碳納米管液晶紡絲液的濃度為0.1～0.5wt％，與氯磺酸混合方式為攪拌，轉(zhuǎn)速為1000～3000rpm，氯磺酸濃度為97wt％以上。