[发明专利]一种含碳纳米管的导电复合纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含碳纳米管的导电复合纤维及其制备方法，特别是涉及利用一类同时含有芳环和腈基的聚合物作为分散剂使碳纳米管能均匀地分散于基体聚合物中，从而制备出高碳纳米管含量的导电复合纤维的方法。

背景技术

1991年，Iijima博士发现了碳纳米管（CNTs），由于其具有独特的力学、电学等性能，立刻就成为化学、物理及材料科学领域的一个研究热点。

但是，碳纳米管的结构在赋予它优异性能的同时，也决定了其在应用过程中的局限性。CNTs表面具有大π键，表面缺陷少，缺乏活性基团，使其表面既不亲水也不亲油，很难在各种溶剂中分散和溶解（Xu G.D.,Zhu B.,Han Y.,et al.Polym.,2007,48:7510-7515;Dang Z.M.,Wang L.,Zhang L.P.J.Nanom,2006,2006:1-5）。此外，CNTs具有大的比表面积、长径比和较强的范德华力，使其易团聚或缠绕，破坏单根CNTs的优异性能。因此，对CNTs进行改性以提高其分散性成为其研究和应用中的一个关键。

常见的碳纳米管改性方法有两种。一种是共价改性，通常是利用CNTs表面或末端位置上的缺陷发生化学反应，形成特定的官能团或接上功能性分子。CNTs的共价改性包括氧化（中国专利ZL200610118122.6；Zhao X.D.,Lin W.R.,Song N.H.,et al.,J.Mater.Chem.,2006,16:4619-4625；中国专利申请公开号：CN 101970550），氟化（Im J.S.,Kang S.C.,Bai B.C.,et al.,Carbon,2011,49:2235-2244.）及聚合物接枝等（中国专利ZL200410028338.4）。另一种是非共价改性，即利用CNTs表面的疏水性表面和π电子结构与其它分子通过疏水力、π-π堆叠等弱相互作用结合，使可溶性的有机分子缠绕或吸附在CNTs的表面。用于非共价改性的物质主要包括：表面活性剂，如十二烷基三甲基溴化铵等（中国专利申请公开号：CN 102275899A；中国专利ZL 200810159180.2）；芳环类聚合物，如聚对苯乙烯磺酸和三芳基胺的超支化聚合物（中国专利ZL 200510101253.9；中国专利申请公开号：CN 101679039A）。

由于合成纤维属于电介质范畴，其电阻很大，电导率很小，因此很容易积聚静电。积聚的静电不仅使纺织品加工难以顺利进行，而且给人们的生活带来诸多不便。为了消除纤维及其织物的静电，防止危害的发生，人类自20世纪60年代就开始开发抗静电、导电纤维。由于CNTs具有优越的电学性能，研究人员将其应用于制备导电复合纤维。目前，CNTs/聚合物导电复合纤维的制备方法主要有溶液纺丝法、静电纺丝法和熔融纺丝法。

中国专利ZL 200710036886.5提供了一种含碳纳米管的Lyocell纤维的制备方法，先将CNTs酸洗纯化，再用表面活性剂对其进行功能化处理，然后利用超声波将功能化的CNTs均匀分散在含水量为20~30%的N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液中，采用常规的Lyocell工艺干湿法纺丝，制备得到CNTs含量为0.1~10wt.%的CNTs/Lyocell复合纤维。该方法实现了CNTs在Lyocell纤维中的均匀分散，大幅提高了Lyocell纤维的力学性能和电导率。中国专利ZL200510029612.4将表面功能化的CNTs和聚合物配成共混纺丝溶液，经静电纺丝法制得复合纤维。