[发明专利]具有增强特性的碳纳米管复合材料制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有增强特性的碳纳米管复合材料的制备方法。

背景技术

碳纳米管(CNTs)具有高的机械强度、高的硬度和优良的电导率，但通常由于其生长长度太短而不能充分利用这些特性。长的纤维都是由很短的碳纳米管组装成的，但这些纤维只具有低的机械强度和电导率。用来改进这些特性的努力涉及制备含有多种材料的碳纳米管纤维的复合材料，包括使用聚合物、硅或金。但目前文献报道的这些复合材料的机械强度和电导率还是比较低。因此具有增强特性的CNTs的复合材料仍是非常需要的。

发明内容

1、本发明的目的。

本发明为了解决现有技术中有碳纳米管组装成的纤维机械强度和导电率较低的问题，而提出了一种具有增强特性的碳纳米管复合材料制备方法。

2、本发明所采用的技术方案。

具有增强特性的碳纳米管复合材料制备方法主要为由连续排列的碳纳米管的阵列相互进行弯曲形成螺旋状的碳纳米管纤维，再涂敷一种包括水溶性金属前驱体、水溶性聚合物和适当溶剂的均匀溶液组成的涂敷溶液；其中，水溶性金属前驱体的金属选自钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、钪、钇、铝、硅、镧系和锕系中的一种或者几种；水溶性聚合物选自分子量高于30000 g/mol能在温度大于250度的高温中完全分解的聚乙烯亚胺及其衍生物，具体制备过程如下：

步骤a、 制备涂敷溶液；

步骤b、使用带有超滤膜的Amicon超滤系统将含有金属和聚乙烯亚胺的前驱体溶液进行过滤来除去分子量小于3000 g/mol的杂质；

步骤c、将涂敷溶液均匀地涂敷在连续排列的碳纳米管的阵列相互进行弯曲形成螺旋状的碳纳米管纤维内外侧上；

步骤d、将步骤c所述的碳纳米管纤维置于石英管式炉中在氩气和的氢气的合成气的还原气中加热，温度范围为250^oC-1300^oC，加热时间的长短则根据需要沉积的薄膜厚度而定，加热持续到溶剂挥发和聚合物分解，加入碳源气并升高温度使得碳源气与金属反应生成金属碳化物，所述的碳源气包括烃类和醇类。

更进一步，步骤d中所述的还原气为90-99%的氩气和1-10%的氢气的合成气，或6%的氢气和其余的氩气的合成气。

更进一步，均匀的涂敷溶液浸渍涂布或浸泡涂敷溶液的方法涂在碳纳米管上。

优选的，生成的金属碳化为碳化钛和碳化铌。

更进一步，所述的水溶性聚合物为聚乙烯亚胺及其衍生物，包括如羧酸化的聚乙烯亚胺、磺酸化的聚乙烯亚胺、酰化的聚乙烯亚胺、质子化的水溶性聚乙烯亚胺、聚丙烯酸、聚吡咯烷酮或聚乙烯-马来酸。所述的溶剂为水、低级醇类、丙酮、碳酸丙烯酯、四氢呋喃、乙腈、乙酸以及它们的混合物。

所述的涂敷溶液通常在环境温度为15-30^oC下保存，优选环境温度为20-25℃下保存能够保存一年以上。

优选的，所述的步骤d中加热温度为400-1200^oC。

3、本发明的有益效果。

（1）碳纳米管/金属碳化物的复合纤维比纺丝的纤维具有更为平滑且致密的表面。

（2）复合纤维的纺丝的直径小于纺丝的螺旋状CNT纤维。螺旋状的CNT/TiC复合纤维的直径为4.5微米，而纺丝的螺旋状CNT纤维德直径为6.5微米。由于复合材料的交联网络，复合纤维是可能变更窄的，交联也会增强复合纤维的机械强度。

（3）机械强度更高，纺丝的螺旋状CNT纤维的抗张强度为0.31GPa，而螺旋状的复合纤维的值为0.67GPa，并高于现有技术中的复合材料。螺旋状的复合纤维的也具有高的拉伸模量约为420 GPa，也是迄今关于复合纤维报道的最高值。

（4）复合纤维也显示了比纺丝纤维更高的电导率。在室温下，CNT/TiC复合纤维的电导率高达1650 S/cm (或电阻低至606 μΩ.cm)。这也远高于现有技术中的聚合物、硅或金的CNT复合材料的电导率]。这种电导率的明显增强是由于嵌入的碳化金属复合物的均匀分布改善了复合纤维中的各个CNTs之间的电化学接触。

附图说明

图1 为一个具体的螺旋状的CNT/TiC的复合材料的X-衍射图谱。

图2 比较了丝纺的螺旋纤维与具体的螺旋状的CNT/TiC复合纤维的抗张强度。

图3为螺旋状的CNT/TiC复合纤维在拉伸断裂后其末端的高倍放大的照片。