[发明专利]一种碳纳米管增强纤维素基纳米碳纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纤维材料领域。它涉及一种碳纳米管增强纳米碳纤维及其制备方法，尤其是一种碳纳米管增强纤维素基纳米碳纤维及其制备方法。

背景技术

碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，其杨氏模量是传统的玻璃纤维3倍多，是凯芙拉纤维(KF-49)的2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。此外，碳纤维还具有无蠕变、耐疲劳性好、比热及导电性介于非金属和金属之间、热膨胀系数小、X射线透过性好等特点。因而，碳纤维不仅是一种优良的增强纤维材料，而且还可以作为隔热保温材料、防静电材料、抗辐射材料、防护材料、工程结构材料、航空航天材料、体育器材、电极材料等广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天等领域。

在碳纤维前驱体中添加碳纳米管材料制备纳米碳纤维，可以进一步提高碳纤维的机械、隔热、导电等性能，而且由于nm维度的实现，使其各项性质得以跨越性的提高，从而进一步拓展碳纤维的应用领域，使其在各种新型高性能材料的制备中占据优势地位。

碳纤维的前驱体材料通常采用聚丙烯腈纤维、沥青纤维和纤维素基纤维。但是，随着石油资源的快速消耗，可持续性发展的纤维素基纤维将成为最重要的碳纤维前驱体材料。因此，开发碳纳米管增强纤维素基纳米碳纤维及其制备方法的意义重大。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纳米管增强纳米碳纤维及其制备方法，尤其是一种碳纳米管增强纤维素基纳米碳纤维及其制备方法。这种碳纳米管增强纤维素基纳米碳纤维，不仅机械性能、隔热性能、导电性能优于普通碳纤维，而且其纳米尺寸更赋予了其产品更高的比表面积和高孔隙率的特征，使其在过滤、阻隔、吸收等方面的功能也更加优越，可广泛用于隔热保温材料、防静电材料、抗辐射材料、防护材料、工程结构材料、航空航天材料、体育器材、电极材料、过滤材料等领域。该纤维采用纤维素为前驱体，具有更广阔的发展前景。

本发明解决技术问题的技术方案如下：

一种碳纳米管增强纤维素基纳米碳纤维，其特征是它是一种含有直径为0.9～100nm的单壁或多壁碳纳米管、以纤维素纤维为前驱体材料且直径为150～1150nm的纳米碳纤维，该碳纤维的质量百分比含量组成为：

(a)0.5～50％的碳纳米管；

(b)50～99.5％的碳。

所述的纤维素纤维为天然纤维素纤维如棉纤维、木棉纤维、苎麻纤维、亚麻纤维、黄麻纤维、大麻纤维、罗布麻纤维、竹纤维、木纤维、秸秆纤维、剑麻纤维、香蕉纤维、蕉麻纤维、椰壳纤维、莲藕纤维、芦苇叶纤维、茅草叶纤维中的一种。

本发明所述的一种碳纳米管增强纤维素基纳米碳纤维，其制备方法步骡如下：

(1)将质量百分比含量为0.5～8％的纤维素原料加入N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)质量百分比含量为85％的水溶液(NMMO.H₂O)，在75～95℃温度条件下，将纤维素完全溶解，配置得到纤维素纺丝液；

(2)将一定量的直径为0.9～100nm的单壁或多壁碳纳米管和抗氧化剂没食子酸或没食子酸丙酯混合加入步骤(1)配置的纤维素纺丝液，使碳纳米管、抗氧化剂没食子酸或没食子酸丙酯和纤维素的质量百分比为：0.01～50∶0.001～0.05∶100；

(3)将步骤(2)中得到的混合溶液进行超声处理，制备均匀分散有碳纳米管的纤维素纺丝液，超声温度为75～95℃，超声频率为20～40KHz，功率为300～2400W，超声时间为5～60min；

(4)将步骤(3)所制备的均匀分散有碳纳米管的纤维素纺丝液转移至静电纺丝仪器中，在纺丝温度为80～140℃，纺丝速率为0.5～5ml/h，纺丝电压为15～45kV，纺丝距离为5～20cm的条件下，将纺丝液纺入贮存于敞口容器内的凝固浴中，获得含有碳纳米管和少量抗氧化剂没食子酸或没食子酸丙酯且直径为180～1200nm的纤维素纤维；

(5)将步骤(4)所制备的含有碳纳米管且直径为180～1200nm的纤维素纤维浸入水中清洗5～120min，并在60～105℃条件下烘干；

(6)将步骤(5)中清洗干燥过的含有碳纳米管且直径为180～1200nm的纤维素纤维在含有质量百分比含量为5～50％硅基聚合物溶液中浸渍5～60min，使纤维中硅基聚合物的含量达到纤维自身质量的1～15％；

(7)将步骤(6)中浸渍过硅基聚合物溶液的含有碳纳米管且直径为180～1200nm的纤维素纤维在含有质量百分比含量为1～20％的铵盐或钠盐的水溶液中浸渍1～60min；