[发明专利]高性能碳纳米管复合纤维、其制备方法与系统

说明书

本发明公开了一种高性能碳纳米管复合纤维、其制备方法与系统。所述制备方法包括：以经水充分浸润的碳纳米管纤维作为阴极，并与阳极、电解液共同构建电化学反应体系，所述电解液为包含电解质和选定物质的水相体系；使所述电化学反应体系通电，并使所述碳纳米管纤维在电解所产生的气体的作用下在径向和/或长度方向上产生均匀膨胀，同时使所述选定物质充分渗透入所述碳纳米管纤维中碳纳米管的内部，制得碳纳米管/选定物质复合纤维，之后进行致密化、热牵伸、收集处理，制得高性能碳纳米管复合纤维。本发明制备的高性能碳纳米管纤维具有低密度、高取向度、高比强度和高比模量等特点，且制备效率更高、更安全、绿色、高效、可扩大连续化生产。

技术领域

本发明涉及一种高性能碳纳米管纤维的制备方法，特别涉及一种无损膨胀制备高性能碳纳米管复合纤维的方法及相应的系统，属于碳纤维及纳米复合材料制备技术领域。

背景技术

碳纳米管(CNT)是目前发现的性能最好的一维结构单元，单根碳纳米管的理论拉伸强度可达到100GPa，杨氏模量可以达到1TPa。碳纳米管纤维是由碳纳米管组装而成的宏观一维材料，是碳纳米管从微观到宏观应用的最重要呈现形式之一，理想的碳纳米管纤维具有优异的力学、电学和热学性能(Adv.Mater.2012,24,1805；Nanoscale 2016,8,19475；Compos.Sci.Technol.2018,166,95)。然而在组装成宏观的纤维的过程中，由于杂质、缺陷以及管间连接等问题的存在，碳纳米管优异的性能难以在宏观纤维中表现出来。

目前提高碳纳米管纤维力学性能的方法主要有管间连接、取向处理、致密化处理等方法。管间连接主要是在碳管表面成键或引入聚合物(Advanced Materials,2011,23(17):1971-1975；Carbon 2017,118,413-421)，相关专利如碳纳米管纤维的表面改性方法(CN101723350A)，高性能碳纳米管纤维的制备方法(CN101967699A)，电致增强碳纳米管纤维的方法(CN103850114A)等。取向化主要通过牵伸处理提高纤维内部碳管沿纤维径向的排列程度，使纤维在承受外力时更多的碳纳米管参与承担载荷，致密化主要通过高压减少纤维内部管与管之间、管束与管束之间的空隙，代表性如C.D.Tran等通过滚轮摩擦逐级牵伸(Carbon 2009,47,2662-2670)，韩国科学技术研究院采用氯磺酸辅助牵伸(NatureCommunications,2019,10(1)；ACS Applied MaterialsInterfaces,2020,12(11))；王健农等通过挤压提高碳纳米管窄带的致密程度(Nano Lett.2016,16,946-952)。

管间键合的方法可以提高碳管纤维的力学性能，但是由于键合作用官能团的引入和键合随机性较大，且会对碳纳米管结构造成一定程度的破坏，聚合物的引入会改变碳管纤维的纯度，限制纤维内部电子和声子的传递，影响纤维的电学和热学性能。单纯的牵伸对纤维强度提升非常有限，辊压致密导致纤维形状单一且难以连续制备，氯磺酸牵伸致密由于氯磺酸的强氧化性制备条件非常苛刻。

综上所述，现有技术主要存在以下缺点：1)简单的物理作用会破坏纤维内部碳纳米管的网络结构，使得原本网络纠缠的碳纳米管断裂。2)已有的发明一般会选择丙酮作为凝固浴，但是仅采用丙酮，碳纳米管纤维的致密化程度还是相对较低。3)文献中采用氯磺酸可使碳纳米管纤维膨胀，但是氯磺酸对碳纳米管纤维膨胀率低、效率低，且氯磺酸会使碳纳米管纤维内部的缺陷增加，氯磺酸具有强腐蚀性、强刺激性，可致人体灼伤。4)目前文献报道的优化碳纳米管纤维的取向、提高碳纳米管纤维力学性能的方法，都难以实现绿色、高效、连续生产。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高性能碳纳米管复合纤维及无损膨胀制备高性能碳纳米管复合纤维的方法，以克服现有技术中的不足。

本发明的另一目的还在于提供一种无损膨胀制备高性能碳纳米管复合纤维的系统。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：