[发明专利]一种高性能碳纳米管/碳复合纤维及其快速制备方法

说明书

本发明公开了一种高性能碳纳米管/碳复合纤维及其快速制备方法。所述制备方法包括：在碳纳米管纤维纺织过程中和/或纺织完成后，以高残炭率聚合物的前驱体溶液充分浸润并加捻碳纳米管纤维，之后除去碳纳米管纤维表面的溶剂；以及，对所获的碳纳米管复合纤维施加牵伸力，同时向所述碳纳米管复合纤维中通入电流，使所述碳纳米管复合纤维中的高残炭率聚合物的前驱体交联固化，继而使形成的聚合物碳化，制得高性能碳纳米管/碳复合纤维。本发明的制备方法快速高效，仅需10秒即可制得具有高取向高致密结构的碳纳米管/碳复合纤维，不仅能够大幅提高碳纳米管纤维的力学性能和电学性能，还使其具有优异的耐极端环境性能。

技术领域

本发明涉及一种高性能碳纳米管/碳(CNT/C)复合纤维的制备方法，特别涉及一种电流诱导碳化并结合牵伸力快速制备高性能碳纳米管/碳复合纤维的方法，属于碳纤维制备技术领域。

背景技术

自从碳纳米管被发现以来，CNTs因其独特的结构和优异性能引起了世界范围内不同领域专家们广泛兴趣。理论研究表明碳纳米管拥有高达200GPa的拉伸强度和1TPa的弹性模量，同时还具有优异的电学和热性能。碳纳米管纤维是大量碳纳米管宏观形态最重要的一种，其在航空航天、防弹装备、电磁屏蔽材料、储能、轻质导线、生物材料等领域具有广阔的应用前景。当前已发展的碳纳米管纤维制备工艺包括浮动化学气相沉积、阵列纺丝法及溶液纺丝法。但是，目前碳纳米管纤维的性能远未达到预期水平，其力学性能和电学性能远低于单根碳纳米管理论值，而且在酸碱、超声波环境下，结构容易破坏，其主要原因为：碳纳米管纤维内部管间结合力较弱，碳纳米管束取向杂乱，纤维内部存在大量的孔洞，结构较疏松。因此改善纤维内部管间结合力，提高纤维内部堆积密度，增强纤维的耐酸碱、超声波、高温氧化)性能，制备高取向高致密及高强度高导电的碳纳米管纤维是实现碳纳米管具体应用的一项关键技术。

目前，已有许多工作着重于提高纤维致密度以及管间结合力，从而实现碳纳米管纤维的力学增强。其中一种方法是物理致密化工艺，包括加捻、牵伸、压实、轧制、拉拔等方法，提高碳纳米管束的堆垛密度，缩小纤维或薄膜的内部空隙率，是一种非常有效的强化手段。如美国学者Ryne P.Raffaelle(Appl.Phys.Lett.，2010，97,182106.Highconductivity carbon nanotube wires from radial densification and ionicdoping)采用拉拔的方法对碳纳米管薄膜卷绕成的纤维进行致密处理：将疏松的扁带经浸泡处理后穿过拉拔模具，由模具中拉出，纤维在经过模具后受到径向压缩与轴向伸长力的作用，发生径向变形，直径减小，致密度提高。经过多道次的变形，纤维直径由1.07mm缩小至0.33mm。经拉拔致密处理后的纤维的密度由500kg/m³可增加到1800kg/m³，处理后纤维的强度由90MPa提高到260MPa。新加坡学者HaiM.Duong(Carbon，2016，99，407-415.Super-strong and highly conductive carbon nanotube ribbons from post-treatmentmethods)开发出一种类轧制方法：将碳纳米管纤维叠放在两张A4纸之间，并用刮刀沿纤维轴向由A4纸一侧刮至另一侧，在刮刀上沿与纤维轴向呈45°的方向向下施加100N的力。多次重复上述过程，至纤维不再变形，纤维截面积为原始纤维的十分之一。表面碳纳米管束的堆积密度大幅提高，取向性也有明显改善，强度由0.27GPa提升到2.81GPa。然而这类方法只是提高纤维的致密和取向度，碳纳米管管束间作用力并没有提高，纤维的耐酸碱及抗超声波性能依然较弱。